レーザの制御システムおよびレーザ動作の制御方法
【課題】使用時におけるレーザ光線の誤った照射によりユーザの手が負傷するおそれを減少させる。
【解決手段】レーザ光線（１８）を生成するレーザ（１６）用の制御システムは、ユーザの手（２６）の位置を感知するセンサ（４６）と、感知されたユーザの手（２６）の位置に基づいてレーザ（１６）の動作を制御する制御装置（２０）と、を含む。
【解決手段】レーザ光線（１８）を生成するレーザ（１６）用の制御システムは、ユーザの手（２６）の位置を感知するセンサ（４６）と、感知されたユーザの手（２６）の位置に基づいてレーザ（１６）の動作を制御する制御装置（２０）と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ用の安全制御装置に関し、特に、ユーザのレーザ光線への接近に基づいてレーザを非作動状態とする安全制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザは、レーザ溶接、レーザはんだ付け、およびレーザ切断などの種々の産業用途で使用されるレーザ光線を生成する。レーザ光線の特性により、ユーザを肉体的損傷から保護するために数多くの安全対策が実施されてきた。米国規格協会（ＡＮＳＩ）は、このような安全上の問題に対して、種々のレーザを安全に使用するためのガイドラインや注意を提供するＡＮＳＩ Ｚ１３６．１−２０００を定めている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、レーザ光線によるワークの加工中にユーザがワークを操作するときなどのように、ユーザがレーザを用いて活発な作業を行うときにレーザの安全性に関する一般的な問題が生じる。例えば、ユーザは、レーザ光線によるワークの溶接、切断または他の加工中にワークを手で持って移動させる場合がある。このため、レーザ加工中にレーザ光線が誤って照射されることにより、ユーザが手に傷や火傷を負うおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、レーザ光線を生成するレーザ用の制御システムおよび制御方法である。制御システムは、ユーザの手の位置を感知するセンサと、感知されたユーザの手の位置に基づいてレーザの動作を制御する制御装置と、を含む。この制御システムは、使用時におけるレーザ光線の誤った照射によりユーザの手が負傷するおそれを減少させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１，図２は、レーザ照射によりワークを加工するのに適した産業用レーザ装置であるレーザ装置１０の側面図である。レーザ装置１０は、基部１２、ハウジング１４、レーザ１６、レーザ光線１８、制御装置２０、ペダル式作動装置２２、および安全装置２４を含む。図１は、レーザ光線１８から離れた位置に配置されたユーザの手２６を示しており、このレーザ光線１８は、１つまたは複数のワーク（図示省略）を加工するために作動レベル強度でレーザ１６により生成されている。図２は、レーザ光線１８の（図１，図２において仮想線２８ａによって示された）公称危険領域２８内に配置されたユーザの手を示している。以下で説明するように、本発明の安全装置２４は、ユーザの手２６がレーザ光線１８の公称危険領域２８内に移動したときに、レーザ光線１８の強度を作動レベルから待機レベルに低下させるようにレーザ１６を制御する。これにより、レーザ光線１８の照射による負傷のおそれが減少する。
【０００６】
図１に示すように、基部１２は、レーザ１６で作業するための支持基部であり、表面３０を含む。ハウジング１４は、基部１２に取外し可能に固定されており、ハウジング１４の外側に位置するユーザをレーザ光線１８から保護する。ハウジング１４は、ユーザがハウジング１４内に手２６を伸ばすことを可能にする開口部３２を含む。ハウジング１４は、シートメタル、安全ガラス、およびこれらの材料および他の材料の組合せなどの種々の保護材料から製造することができる。ハウジング１４は、ユーザがハウジング１４内に手２６を入れることを可能にするポートホールも含みうる。レーザ加工の前にユーザが表面３０上にワークを配置することができるように、ハウジング１４を基部１２に対して手動または機械的に昇降させてもよい。
【０００７】
レーザ１６は、溶接、はんだ付け、切断、機械加工、および表面処理などの技術によって金属部品を加工可能な産業用レーザである。レーザ１６は、レーザ光線１８を生成するようにハウジング１４内に配置されている。レーザ１６は、完全にハウジング１４内に位置するように示されているが、レーザ光線１８がハウジング１４内で生成される限り、レーザ１６を部分的にハウジング１４の外側に配置してもよい。
【０００８】
レーザ光線１８は、金属部品が加工されるレーザ光線１８の部分である焦点１８ａで出力密度が最大である。レーザ光線１８は、さらにレーザ１６と焦点１８ａとの間に位置する収束部１８ｂと、焦点１８ａと表面３０との間に位置する発散部１８ｃと、を有する。収束部１８ｂでは、レーザ光線１８の出力密度が焦点１８ａに向かって収束する。これに対して、発散部１８ｃでは、レーザ光線１８の出力密度が焦点１８ａから発散する。
【０００９】
表面３０に対してレーザ１６を垂直方向で昇降させて、レーザ光線１８の焦点１８ａの位置を垂直方向で調整することができる。これは、異なる高さで金属部品を加工するのに有用である。焦点１８ａは、レーザ１６の光学的な設定に基づいて、レーザ１６に対して固定された位置でオフセットされている。よって、レーザ１６の垂直移動は、これと等しい焦点１８ａの移動を生じさせる。これに対応して、収束部１８ｂの三次元寸法（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）は、レーザ１６の垂直移動によって実質的に変動しない。しかし、発散部１８ｃの三次元寸法は、レーザ１６と表面３０との間の距離に基づいて変動する。
【００１０】
収束部１８ｂの適切な三次元寸法の例は、レーザ１６と焦点１８ａとの間の高さが約５〜１５ｃｍでかつ頂部における底面の直径が約５ｃｍである逆円錐形を含む。発散部１８ｃの適切な三次元寸法の例は、収束部１８ｂに対応するベクトルを有し、かつ焦点１８ａと表面３０との間の高さが約７〜４０ｃｍである円錐形を含む。
【００１１】
制御装置２０は、プログラム可能論理制御装置（ＰＬＣ）であり、ペダル式作動装置２２および安全装置２４からの信号を含む受信信号に基づいてレーザ１６の動作を制御する。制御装置２０は、種々の方法でレーザ１６の動作を制御しうる。例えば、制御装置２０は、作動レベルの強度を有するレーザ光線１８をレーザ１６に生成させることができる。作動レベルは、レーザ光線１８によるワークの（溶接、切断、および表面処理などの）レーザ加工を可能にする。加えて、制御装置２０は、レーザ１６のレーザ光線１８の強度を作動レベルから低強度またはゼロ強度レベルである待機レベルに低下させることができる。レーザ光線の適切な待機レベルの例には、ＡＮＳＩ Ｚ１３６．１−２０００に説明された照射制限を実質的に満たす強度が含まれる。レーザ光線１８の強度は、レーザ１６への電力の制限、レーザ１６への電力の停止、レーザ光線１８の焦点をはずすこと、レーザ光線１８の焦点の変更、（例えば、レーザ光線１８を水冷のビームダンプに導くことによる）光線のダンピング、およびこれらの組合せによって待機レベルに低下させることができる。
【００１２】
ユーザは、レーザ１６を作動させるペダル操作式の作動スイッチであるペダル式作動装置２２によってレーザ１６を作動させる。ペダル式作動装置２２は、基部１２に隣接して配置され、ライン３４を介して制御装置２０と通信する。ペダル式作動装置２２は、ユーザがペダル式作動装置を押し下げると第１の状態から第２の状態に切り替わり、ペダル式作動装置２２の状態は制御装置２０によるレーザ１６の制御状態を表す。（押し下げられていない）第１の状態は、レーザ１６を非作動状態にするか、待機レベルのレーザ光線１８をレーザ１６に生成させるように制御装置２０に指示を与える。（押し下げられた）第２の状態は、作動レベルのレーザ光線１８をレーザ１６に生成させるように制御装置２０に指示を与える。これにより、レーザ加工のための作動レベルでレーザ１６のレーザ光線１８を生成させるためには、ユーザによりペダル式作動装置２２が手動で押し下げられることが必要となる。
【００１３】
レーザ光線１８の公称危険領域２８は、レーザ光線１８の周囲に位置する砂時計形の範囲（ｖｏｌｕｍｅ）であり、レーザ光線１８の肌への照射の危険性が最も大きい領域を示す。従って、作動レベルのレーザ光線１８の直接的な照射のおそれを減少させるためには、レーザ光線１８が生成されている間はユーザの手２６が公称危険領域２８外にある必要がある。
【００１４】
公称危険領域２８は、垂直方向で焦点１８ａを中心として設けられ、収束部１８ｂおよび発散部１８ｃの周りに延びている。公称危険領域２８が焦点１８ａの上下で延びる垂直距離は、レーザ光線１８の強度によって変動する。図１に示す一実施例では、公称危険領域２８は、焦点１８ａの上下においてある垂直距離まで延在し、この垂直距離を超えるとレーザ光線１８の強度の危険性レベルは低くなる。公称危険領域２８の焦点１８ａからの適切な垂直距離の例は、焦点１８ａの約８ｃｍ上と焦点１８ａの約８ｃｍ下を含む。他の実施例では、公称危険領域２８はレーザ１６と表面３０との間の全垂直距離にわたって延びてもよい。これは、レーザ光線１８の全範囲を含む。
【００１５】
さらに図１に示すように、公称危険領域２８は、収束部１８ｂおよび発散部１８ｃに比べて焦点１８ａからより大きな径方向距離だけ離れて延びている。レーザ光線１８による負傷のおそれは、レーザ光線１８の強度が最も高い焦点１８ａで最も大きいので、これは望ましいことである。焦点１８ａと公称危険領域２８との適切な径方向距離の例は、約０．５〜２．５ｃｍである。収束部１８ｂおよび発散部１８ｃと公称危険領域２８との間の適切な径方向距離の例は、径方向距離がない状態と、ほぼ焦点１８ａと公称危険領域２８との間の径方向距離と、の間の範囲である。本明細書では、公称危険領域２８を砂時計形の範囲として説明したが、公称危険領域２８はレーザ光線１８が照射されるおそれが最も高い領域を示していることを理解されたい。よって、公称危険領域２８は、レーザ１６からレーザ光線１８がどのように生成されるかに基づいて異なる形状を有しうる。
【００１６】
公称危険領域２８が占めないハウジング１４内の残りの範囲は、レーザ光線１８の第２の危険領域３６と呼ばれ、目に対する危険領域である。レーザ加工中には、レーザ光線１８の一部がワークから種々の方向に反射または散乱するおそれがある。ハウジング１４は、レーザ光線１８の反射および散乱した部分がハウジング１４の外側のユーザ位置、特にユーザの目に直接達するのを防ぐ。しかし、ハウジング１４は、ハウジング１４内に配置されたユーザの手２６を直接保護することはない。
【００１７】
本発明の安全装置２４は、ユーザがハウジング１４内でワークを操作しているときなどにハウジング１４内に配置されたユーザの手２６を保護する。安全装置２４は、手袋３８、つなぎ綱４０，プーリ４２、磁石４４、センサ４６、およびライン４８を含む。手袋３８は、手２６を収容可能な保護バリアであり、開口部３２の周囲でハウジング１４に固定される。手袋３８は、矢印５２の方向でハウジング１４に向かって付勢された蛇腹状すなわちベローズ状のリブ付部分５０を含む。よって、手袋３８は、図１に示す引込位置に向かって付勢されている。
【００１８】
手袋３８の素材は、第２の危険領域３６内のレーザ光線１８の反射および散乱した部分を吸収する。これにより、手２６がハウジング１４内に配置されたときにレーザが照射されるおそれが減少する。手袋３８用の適切な素材の例は、ニトリル基化合物、ネオプレン基化合物、ブタジエンスチレン基化合物およびこれらの組合せを含む標準的なゴム手袋用化合物を含む。他の実施例では、手袋３８の代わりに照射に対する保護を提供する他の保護バリアを用いてもよい。
【００１９】
安全装置２４は、手袋３８による照射に対する保護に加えて、レーザ光線１８の公称危険領域２８内に手２６があるときにレーザ光線１８の強度を待機レベルに低下させることによってユーザを保護する。これは、磁石４４とセンサ４６によって達成され、センサ４６は、磁石４４とセンサ４６との間の距離に基づいてハウジング１４内の手２６の位置を特定する。磁石４４は、磁界を発生させる信号生成要素であり、つなぎ綱によって手袋３８に連結される。つなぎ綱４０は、手袋３８に連結された第１の端部と、磁石４４に連結された第２の端部４０ｂと、を含む。他の実施例では、つなぎ綱は、手袋３８と一体形成可能である。手袋３８が使用されないまた他の実施例では、つなぎ綱４０の第１の端部４０ａは（例えば、手首で）ユーザの手２６に取付可能である。プーリ４２は、基部１２およびハウジング１４からオフセットされた固定位置で回転可能に固定される。つなぎ綱４０は、第１の端部４０ａの横方向運動が第２の端部４０ｂの垂直運動に変換されるようにプーリ上に延びている。
【００２０】
センサ４６は、磁石４４の磁界を感知可能な磁気作動スイッチである。センサ４６用の適切な装置の例には、ホールセンサおよびリードスイッチが含まれる。センサ４６は、基部１２に固定されてライン４８を介して制御装置２０と通信する。センサ４６は、磁石４４の磁界を感知するか否かに基づいて第１の状態と第２の状態との間で切り替わる。センサ４６は、磁界が感知されないときには第１の状態であり、磁界が感知されると第２の状態に切り替わる。
【００２１】
センサ４６の状態は、制御装置２０によるレーザ１６の制御を指示する。センサ４６の第１の状態は、レーザ１６を特定の方法で制御する指示を制御装置２０に与えない。よって、ユーザがペダル式作動装置２２を押し下げると、レーザ１６は作動レベルのレーザ光線１８を生成する。しかし、センサ４６の第２の状態は、他の受信信号とは関係なく、レーザ光線１８の強度を作動レベルから待機レベルまで低下させるよう制御装置２０に指示を与える。よって、センサ４６の第２の状態に関連する信号は、ペダル式作動装置からの信号に優先し、ペダル式作動装置２２が第２の状態にあるときにレーザ光線１８の強度を待機レベルに低下させる。
【００２２】
センサ４６が磁石４４の磁界を感知するか否かは、一般に磁石４４とセンサ４６との間の距離に基づいており、この距離はユーザの手２６の位置に対応している。例えば、手２６が図１に示す引込位置にあるときは、センサ４６が磁石４４の磁界を感知するには磁石４４がセンサ４６から離れすぎている。このため、レーザ１６は、レーザ加工のために作動レベルのレーザ光線１８を生成できる。しかし、公称危険領域２８に入るように手２６が引込位置から充分に遠くまで移動すると、センサ４６が磁石４４の磁界を感知する位置まで磁石４４がセンサ４６に充分に近づく。これにより、レーザ光線１６の強度が待機レベルまで低下し、ユーザの手２６をレーザ光線１８の照射から保護する。
【００２３】
本発明の他の実施例では、磁石４４とセンサ４６の代わりに、リニアエンコーダ、信号強度を最小信号閾値と比較する信号閾値センサ、および当該技術で周知の他の構成要素などの他の形態の信号生成要素および対応するセンサを用いることができる。さらに、磁石４４の横方向運動の範囲を制限するために磁石４４をガイドレールに移動可能に連結してもよい。また、手袋３８は、ハウジング１４に連結された（チェーンやケーブルなどの）タイバックによって物理的に拘束することができる。ハウジング１４と手袋３８との間のタイバックの長さは、手袋３８が公称危険領域２８に物理的に入るのを防止するように選択可能である。
【００２４】
図２は、ユーザの手２６が公称危険領域２８内に延びる延長位置で手袋３８を示している。この状況は、ユーザが公称危険領域２８内でワークを操作しているときに起こりうる。ユーザは、リブ付部分５０の付勢力よりも大きい反対方向の力を加えることで引込位置から手袋３８を延長する。手袋３８は、引込位置から引込位置と延長位置とを含むこれらの間の種々の位置に移動可能である。また、ユーザは、ハウジング１４内で軸方向回転運動を含むあらゆる方向に手袋３８を移動させることができる。よって、手袋３８は、ハウジング１４内で高いレベルの自由運動を提供し、ユーザがワークを把持および操作することを可能にする。これは、ワークの操作に高レベルの敏捷性が要求される溶接や切断で特に有利である。
【００２５】
本発明の一実施例では、磁石４４とセンサ４６とは、ユーザの手２６が公称危険領域２８に入るとセンサ４６が磁石４４の磁界を感知して状態を切り換えるように配置される。引込位置から公称危険領域２８に向かってユーザが手２６を伸ばすと、磁石４４が垂直に上昇する。これにより、磁石４４はセンサ４６に近づく。手２６が公称危険領域２８に達すると、磁石４４は、センサ４６が磁石４４の磁界を感知できる程度にセンサ４６の近くに位置する。制御装置２０は、これに応じて、上述したようにレーザのレーザ光線１８の強度を待機レベルに低下させる。これにより、ユーザの手２６が公称危険領域２８内に配置されているときには、レーザ光線１８の強度が安全なレベルすなわちゼロ強度レベルに自動的に低下する。従って、ユーザは公称危険領域２８内で作業するためにレーザ１６を手動で非作動状態とする必要がない。
【００２６】
ユーザが手２６を引込位置に向かって移動すると、磁石４４が垂直方向で下降してセンサ４６から遠ざかる。手２６が公称危険領域２８を出ると、センサ４６は磁石４４の磁界を感知しなくなる。そうすると、センサ４６は第１の状態に戻るように切り替わり、ユーザがペダル式作動装置２２を押し下げることに応答して、レーザ光線１８の強度が作動レベルに戻るように増加する。よって、ペダル式作動装置２２を押し下げている間、ユーザはレーザ光線１８が誤って照射されることを心配せずに公称危険領域２８の内外に手を繰り返し移動することができる。安全装置２４は、手２６が公称危険領域２８内にあるときにはレーザ光線１８の強度を安全なレベルすなわちゼロ強度レベルに低下させ、手２６が公称危険領域２８を出るとレーザ１６の強度が作動レベルに戻るように増加することを可能にする。これにより、レーザ光線１８の照射のおそれが減少し、レーザ１６を用いた作業の安全性が向上する。
【００２７】
図３，図４は、レーザ照射によりワークを加工するのに適した他の産業用レーザ装置であるレーザ装置１１０の側面図である。図３に示すように、レーザ装置１１０は、安全装置２４の代わりに安全装置１５３を使用しているほかは、図１，図２のレーザ装置１０に類似している（対応する参照番号には１００を足している）。安全装置１５３は、ユーザがハウジング１１４内でワークを操作しているときなど、ユーザの手１２６がハウジング１１４内に配置されているときこれを保護する。安全装置１５３は、手袋１３８と、ライン１４８を介して制御装置１２０と通信するエミッタ／センサ１５４と、を含む。
【００２８】
手袋１３８は、図１で手袋３８について説明したのと同様の方法で機能する。手袋１３８は、第２の危険領域１３６内で反射および散乱したレーザ光線１１８の部分を吸収し、ハウジング１１４内で高レベルの自由運動を提供する。さらに、手袋１３８は、エミッタ／センサ１５４がハウジング１１４内におけるユーザの手１２６の位置を検出可能となるように（例えば、インク、顔料、染料などの紫外線（ＵＶ）発光材料である）蛍光材料を含むことができる。蛍光材料は、手袋１３８の製造に使用される成形材料に含まれてもよく、または、蛍光材料を含むコーティング、フィルム、またはラップで手袋を覆うこともできる。
【００２９】
蛍光材料は、手袋１３８が紫外線の波長光を吸収したときに（以下では“信号波長光”と呼ぶ）特定の波長光を発することを可能にする。特に、紫外線の波長光が手袋１３８に向けられると、手袋１３８に含まれる蛍光材料の電子が紫外線の波長光から光子を吸収し、元のエネルギ状態からより高いエネルギ状態に励起される。電子がより低いエネルギ状態に低下すると、光子は手袋１３８から放出される。しかし、これにより得られる低エネルギ状態は、元のエネルギ状態とは異なり、放出された光子が紫外線の波長光よりも長い波長を有するようになる。一般に、手袋１３８が発する光子の特定の波長（すなわち、信号波長光）は、使用される発光材料の種類および密度によって決まる。
【００３０】
エミッタ／センサ１５４は、ハウジング１１４内に配置されており、紫外線エミッタ１５６とセンサ１５８とを含む、組み合わされたエミッタ／センサ装置である。エミッタ／センサ１５４の適切な装置の例は、“ＵＶＸ１００”および“ＵＶＸ３００”発光センサと呼ばれる、オハイオ州クリーブランド（Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，Ｏｈｉｏ）所在のイーエムエックス インダストリーズ インコーポレイテッド（ＥＭＸ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．）により市販されている商品を含む。
【００３１】
紫外線エミッタ１５６は、紫外線１６０を発する信号生成要素である。紫外線１６０は、図３に示すように、表面１３０に向けられるとともにレーザ光線１１８の周囲に広がる発散光である。表面１３０およびワークは一般に蛍光材料を含まないので、表面１３０およびワークは信号波長光を発しない。しかし、手袋１３８が蛍光材料を含むために、手袋１３８は、紫外線１６０内に配置されているときに紫外線１６０の一部を吸収して信号波長光を発する。
【００３２】
紫外線１６０は、レーザ光線１１８の最大出力密度の位置であるレーザ光線１１８の焦点１１８ａを含むように配置されることが望ましい。さらに望ましくは、紫外線１６０は、図１で説明した公称危険領域２８と同様のレーザ光線１１８の公称危険領域（図示省略）を実質的に含むように配置される。これにより、手袋１３８がレーザ光線１１８の公称危険領域に入ったときに紫外線１６０が手袋に向けられる。
【００３３】
センサ１５８は、エミッタ／センサ１５４に向かって発せられた信号波長光を感知するセンサである。センサ１５８は、ライン１４８を介して制御装置１２０に出力信号を生成する電子機器を含む。出力信号は、第１の状態と第２の状態とを有し、これらの状態は予め設定された閾値以上の強度を有する信号波長光をセンサ１５８が感知するか否かに基づいている。センサ１５８が信号波長光を感知しないか、感知される信号波長光が予め設定された閾値を超えない場合には、センサ１５８の出力信号は第１の状態である。センサ１５８の出力信号は、感知された信号波長光が予め設定された閾値以上の場合に第２の状態に切り替わる。
【００３４】
予め設定された閾値は、バックグラウンドの信号波長光の検出によってセンサ１５８の出力信号が誤って第２の状態に切り替わるのを防止する。例えば、溶接などのレーザ作業中には、ワークの溶融金属から測定可能な量の信号波長光が発せられる可能性がある。よって、予め設定される閾値は、このようなバックグラウンドの信号波長光の強度よりも高く設定されることが望ましい。これにより、センサ１５８は、手袋１３８から発せられて感知された信号波長光とバックグラウンドの信号波長光とを区別することができる。従って、紫外線エミッタ１５６は、手袋１３８が予め設定された閾値よりも大きい強度で信号波長光を発することを可能にする強度の紫外線１６０を発することが望ましい。これにより、手袋１３８からエミッタ／センサ１５４に向かって発せられる信号波長光の部分が、予め設定された閾値を超えるようになる。
【００３５】
センサ１５８の出力信号の状態により、センサ４６について図１で上述したのと同様の方法で、制御装置１２０によってレーザ１１６に制御指示が与えられる。出力信号の第１の状態は、特定の方法でレーザ１１６を制御する指示を特に制御装置１２０に与えない。よって、ユーザがペダル式作動装置１２２を押し下げると、レーザ１１６は作動レベルのレーザ光線１１８を生成する。しかし、出力信号の第２の状態は、他の受信信号に関係なく、レーザ１１６のレーザ光線１１８の強度を作動レベルから待機レベルに低下させるように制御装置１２０に指示を与える。従って、センサ１５８の第２の状態における出力信号は、ペダル式作動装置１２２の信号に優先し、ペダル式作動装置１２２が第２の状態にある場合でもレーザ光線１１８の強度を待機レベルに低下させる。
【００３６】
センサ１５８が信号波長光を感知するか否かは、ユーザの手１２６および手袋１３８の位置に一般に基づく。例えば、手袋１３８が図３に示す引込位置にあるときには、手袋１３８は紫外線１６０内に配置されていない。よって、レーザ１１６は、レーザ加工のために作動レベルでレーザ光線１１８を生成することができる。しかし、手１２６が引込位置から充分に離れた位置まで移動すると、手袋１３８は紫外線１６０に入って紫外線１６０の部分を吸収するとともにエミッタ／センサ１５４に向かって信号波長光を発する。感知された信号波長光の強度が予め設定された閾値を超えるので、レーザ光線１１８の強度は待機レベルに低下してユーザの手１２６をレーザ光線１１８の照射から保護する。
【００３７】
図４は、ユーザの手１２６が紫外線１６０内に伸びる、延長位置における手袋１３８を示している。ユーザは、リブ付部分１５０の付勢力よりも大きい反対方向の力を加えることで引込位置から手袋１３８を延長する。手袋１３８は、引込位置から引込位置と延長位置とを含むこれらの間の種々の位置に移動可能である。
【００３８】
ユーザが手１２６を紫外線１６０内に伸ばすと、紫外線１６０の部分が手袋に吸収され、これにより信号波長光が手袋１３８から発せられる。発せられた信号波長光がハウジング１１４内で散乱する一方で、信号波長光の一部はエミッタ／センサ１５４に向けられる。センサ１５８は、信号波長光のこれらの部分を感知する。このような信号波長光の感知される部分は手袋１３８から発せられるので、その強度は予め定められた閾値を超える。続いて、制御装置１２０が、これに応じてレーザ１１６のレーザ光線１１８の強度を待機レベルに低下させる。これにより、ユーザの手１２６が紫外線１６０内に配置されているときには、レーザ光線１１８の強度が安全なレベルすなわちゼロ強度レベルに自動的に低下する。従って、ユーザは紫外線１６０の領域内で作業するためにレーザ１１６を手動で非作動状態とする必要がない。
【００３９】
ユーザが手１２６を引込位置に向かって移動すると、手袋１３８が紫外線１６０から出る。これにより、センサ１５８は信号波長光を感知しなくなる。そうすると、センサ１５８の出力信号は第１の状態に戻るように切り替わり、ユーザがペダル式作動装置１２２を押し下げることに応答して、レーザ光線１１８の強度が作動レベルに戻るように増加する。よって、ペダル式作動装置１２２を押し下げている間、ユーザはレーザ光線１１８が誤って照射されることを心配せずに紫外線１６０の内外に手を繰り返し移動することができる。安全装置１５３は、手１２６が紫外線１６０内にあるときにはレーザ光線１１８の強度を安全なレベルすなわちゼロ強度レベルに低下させ、手１２６が紫外線１６０を出るとレーザ１１６の強度が作動レベルに戻るように増加することを可能にする。これにより、レーザ光線１１８の照射のおそれが減少し、レーザ１１６用いた作業の安全性が向上する。
【００４０】
図３，図４に開示されたものとは別の実施例では、エミッタ／センサ１５４は（紫外線の波長光ではなく）特定の色の光波長を発するとともに感知することができる。エミッタ／センサ１５４用の適切な色ベースの装置の例は、“ＣＯＬＯＲＭＡＸ−１０００ ＤＩＳＣＲＥＴＥ”、“ＣＯＬＯＲＭＡＸ−１０００ ＨＥＸ”、および“ＣＯＬＯＲＭＡＸ−１０００ ＲＧＢ”色センサと呼ばれる、オハイオ州、クリーブランド所在のイーエムエックス インダストリーズ，インコーポレイテッドによって市販されている商品を含む。この実施例では、手袋１３８は、手袋１３８が所定の色の光線に入ったことを検出するために色センサに関連する所定の色を反射または発する材料を含みうる。
【００４１】
好適実施例を参照して本発明を説明したが、当業者であればわかるように、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに形態および詳細を変更することができる。例えば、レーザ装置１０，１１０は単一の安全装置（安全装置２４，１５３）を有するように開示されているが、本発明の安全装置を複数使用してもよい。特に、両手がハウジング１４内にある状態でユーザが安全に作業を行うために、一対の本発明の安全装置２４が使用されることが望ましい。また、紫外線１６０の照射範囲を増加させるために複数の安全装置１５２を使用することもできる。さらに、本発明は、レーザ加工装置とともに使用するように開示されているが、レーザを使用するあらゆる装置での使用に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】手袋が引込位置にある本発明のレーザ制御安全装置を含むレーザ装置の側面図である。
【図２】手袋が延長位置にある本発明のレーザ制御安全装置を含むレーザ装置の側面図である。
【図３】手袋が引込位置にある本発明の他のレーザ制御安全装置を含むレーザ装置の側面図である。
【図４】手袋が延長位置にある本発明の他のレーザ制御安全装置を含むレーザ装置の側面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…レーザ装置
１２…基部
１４…ハウジング
１６…レーザ
１８…レーザ光線
１８ａ…レーザ光線の焦点
１８ｂ…レーザ光線の収束部
１８ｃ…レーザ光線の発散部
２０…制御装置
２２…ペダル式作動装置
２４…安全装置
２６…ユーザの手
２８…公称危険領域
３０…表面
３２…開口部
３４，４８…ライン
３６…第２の危険領域
３８…手袋
４０…つなぎ綱
４０ａ…つなぎ綱の第１の端部
４０ｂ…つなぎ綱の第２の端部
４２…プーリ
４４…磁石
４６…センサ
５０…リブ付部分
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ用の安全制御装置に関し、特に、ユーザのレーザ光線への接近に基づいてレーザを非作動状態とする安全制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザは、レーザ溶接、レーザはんだ付け、およびレーザ切断などの種々の産業用途で使用されるレーザ光線を生成する。レーザ光線の特性により、ユーザを肉体的損傷から保護するために数多くの安全対策が実施されてきた。米国規格協会（ＡＮＳＩ）は、このような安全上の問題に対して、種々のレーザを安全に使用するためのガイドラインや注意を提供するＡＮＳＩ Ｚ１３６．１−２０００を定めている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、レーザ光線によるワークの加工中にユーザがワークを操作するときなどのように、ユーザがレーザを用いて活発な作業を行うときにレーザの安全性に関する一般的な問題が生じる。例えば、ユーザは、レーザ光線によるワークの溶接、切断または他の加工中にワークを手で持って移動させる場合がある。このため、レーザ加工中にレーザ光線が誤って照射されることにより、ユーザが手に傷や火傷を負うおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、レーザ光線を生成するレーザ用の制御システムおよび制御方法である。制御システムは、ユーザの手の位置を感知するセンサと、感知されたユーザの手の位置に基づいてレーザの動作を制御する制御装置と、を含む。この制御システムは、使用時におけるレーザ光線の誤った照射によりユーザの手が負傷するおそれを減少させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１，図２は、レーザ照射によりワークを加工するのに適した産業用レーザ装置であるレーザ装置１０の側面図である。レーザ装置１０は、基部１２、ハウジング１４、レーザ１６、レーザ光線１８、制御装置２０、ペダル式作動装置２２、および安全装置２４を含む。図１は、レーザ光線１８から離れた位置に配置されたユーザの手２６を示しており、このレーザ光線１８は、１つまたは複数のワーク（図示省略）を加工するために作動レベル強度でレーザ１６により生成されている。図２は、レーザ光線１８の（図１，図２において仮想線２８ａによって示された）公称危険領域２８内に配置されたユーザの手を示している。以下で説明するように、本発明の安全装置２４は、ユーザの手２６がレーザ光線１８の公称危険領域２８内に移動したときに、レーザ光線１８の強度を作動レベルから待機レベルに低下させるようにレーザ１６を制御する。これにより、レーザ光線１８の照射による負傷のおそれが減少する。
【０００６】
図１に示すように、基部１２は、レーザ１６で作業するための支持基部であり、表面３０を含む。ハウジング１４は、基部１２に取外し可能に固定されており、ハウジング１４の外側に位置するユーザをレーザ光線１８から保護する。ハウジング１４は、ユーザがハウジング１４内に手２６を伸ばすことを可能にする開口部３２を含む。ハウジング１４は、シートメタル、安全ガラス、およびこれらの材料および他の材料の組合せなどの種々の保護材料から製造することができる。ハウジング１４は、ユーザがハウジング１４内に手２６を入れることを可能にするポートホールも含みうる。レーザ加工の前にユーザが表面３０上にワークを配置することができるように、ハウジング１４を基部１２に対して手動または機械的に昇降させてもよい。
【０００７】
レーザ１６は、溶接、はんだ付け、切断、機械加工、および表面処理などの技術によって金属部品を加工可能な産業用レーザである。レーザ１６は、レーザ光線１８を生成するようにハウジング１４内に配置されている。レーザ１６は、完全にハウジング１４内に位置するように示されているが、レーザ光線１８がハウジング１４内で生成される限り、レーザ１６を部分的にハウジング１４の外側に配置してもよい。
【０００８】
レーザ光線１８は、金属部品が加工されるレーザ光線１８の部分である焦点１８ａで出力密度が最大である。レーザ光線１８は、さらにレーザ１６と焦点１８ａとの間に位置する収束部１８ｂと、焦点１８ａと表面３０との間に位置する発散部１８ｃと、を有する。収束部１８ｂでは、レーザ光線１８の出力密度が焦点１８ａに向かって収束する。これに対して、発散部１８ｃでは、レーザ光線１８の出力密度が焦点１８ａから発散する。
【０００９】
表面３０に対してレーザ１６を垂直方向で昇降させて、レーザ光線１８の焦点１８ａの位置を垂直方向で調整することができる。これは、異なる高さで金属部品を加工するのに有用である。焦点１８ａは、レーザ１６の光学的な設定に基づいて、レーザ１６に対して固定された位置でオフセットされている。よって、レーザ１６の垂直移動は、これと等しい焦点１８ａの移動を生じさせる。これに対応して、収束部１８ｂの三次元寸法（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）は、レーザ１６の垂直移動によって実質的に変動しない。しかし、発散部１８ｃの三次元寸法は、レーザ１６と表面３０との間の距離に基づいて変動する。
【００１０】
収束部１８ｂの適切な三次元寸法の例は、レーザ１６と焦点１８ａとの間の高さが約５〜１５ｃｍでかつ頂部における底面の直径が約５ｃｍである逆円錐形を含む。発散部１８ｃの適切な三次元寸法の例は、収束部１８ｂに対応するベクトルを有し、かつ焦点１８ａと表面３０との間の高さが約７〜４０ｃｍである円錐形を含む。
【００１１】
制御装置２０は、プログラム可能論理制御装置（ＰＬＣ）であり、ペダル式作動装置２２および安全装置２４からの信号を含む受信信号に基づいてレーザ１６の動作を制御する。制御装置２０は、種々の方法でレーザ１６の動作を制御しうる。例えば、制御装置２０は、作動レベルの強度を有するレーザ光線１８をレーザ１６に生成させることができる。作動レベルは、レーザ光線１８によるワークの（溶接、切断、および表面処理などの）レーザ加工を可能にする。加えて、制御装置２０は、レーザ１６のレーザ光線１８の強度を作動レベルから低強度またはゼロ強度レベルである待機レベルに低下させることができる。レーザ光線の適切な待機レベルの例には、ＡＮＳＩ Ｚ１３６．１−２０００に説明された照射制限を実質的に満たす強度が含まれる。レーザ光線１８の強度は、レーザ１６への電力の制限、レーザ１６への電力の停止、レーザ光線１８の焦点をはずすこと、レーザ光線１８の焦点の変更、（例えば、レーザ光線１８を水冷のビームダンプに導くことによる）光線のダンピング、およびこれらの組合せによって待機レベルに低下させることができる。
【００１２】
ユーザは、レーザ１６を作動させるペダル操作式の作動スイッチであるペダル式作動装置２２によってレーザ１６を作動させる。ペダル式作動装置２２は、基部１２に隣接して配置され、ライン３４を介して制御装置２０と通信する。ペダル式作動装置２２は、ユーザがペダル式作動装置を押し下げると第１の状態から第２の状態に切り替わり、ペダル式作動装置２２の状態は制御装置２０によるレーザ１６の制御状態を表す。（押し下げられていない）第１の状態は、レーザ１６を非作動状態にするか、待機レベルのレーザ光線１８をレーザ１６に生成させるように制御装置２０に指示を与える。（押し下げられた）第２の状態は、作動レベルのレーザ光線１８をレーザ１６に生成させるように制御装置２０に指示を与える。これにより、レーザ加工のための作動レベルでレーザ１６のレーザ光線１８を生成させるためには、ユーザによりペダル式作動装置２２が手動で押し下げられることが必要となる。
【００１３】
レーザ光線１８の公称危険領域２８は、レーザ光線１８の周囲に位置する砂時計形の範囲（ｖｏｌｕｍｅ）であり、レーザ光線１８の肌への照射の危険性が最も大きい領域を示す。従って、作動レベルのレーザ光線１８の直接的な照射のおそれを減少させるためには、レーザ光線１８が生成されている間はユーザの手２６が公称危険領域２８外にある必要がある。
【００１４】
公称危険領域２８は、垂直方向で焦点１８ａを中心として設けられ、収束部１８ｂおよび発散部１８ｃの周りに延びている。公称危険領域２８が焦点１８ａの上下で延びる垂直距離は、レーザ光線１８の強度によって変動する。図１に示す一実施例では、公称危険領域２８は、焦点１８ａの上下においてある垂直距離まで延在し、この垂直距離を超えるとレーザ光線１８の強度の危険性レベルは低くなる。公称危険領域２８の焦点１８ａからの適切な垂直距離の例は、焦点１８ａの約８ｃｍ上と焦点１８ａの約８ｃｍ下を含む。他の実施例では、公称危険領域２８はレーザ１６と表面３０との間の全垂直距離にわたって延びてもよい。これは、レーザ光線１８の全範囲を含む。
【００１５】
さらに図１に示すように、公称危険領域２８は、収束部１８ｂおよび発散部１８ｃに比べて焦点１８ａからより大きな径方向距離だけ離れて延びている。レーザ光線１８による負傷のおそれは、レーザ光線１８の強度が最も高い焦点１８ａで最も大きいので、これは望ましいことである。焦点１８ａと公称危険領域２８との適切な径方向距離の例は、約０．５〜２．５ｃｍである。収束部１８ｂおよび発散部１８ｃと公称危険領域２８との間の適切な径方向距離の例は、径方向距離がない状態と、ほぼ焦点１８ａと公称危険領域２８との間の径方向距離と、の間の範囲である。本明細書では、公称危険領域２８を砂時計形の範囲として説明したが、公称危険領域２８はレーザ光線１８が照射されるおそれが最も高い領域を示していることを理解されたい。よって、公称危険領域２８は、レーザ１６からレーザ光線１８がどのように生成されるかに基づいて異なる形状を有しうる。
【００１６】
公称危険領域２８が占めないハウジング１４内の残りの範囲は、レーザ光線１８の第２の危険領域３６と呼ばれ、目に対する危険領域である。レーザ加工中には、レーザ光線１８の一部がワークから種々の方向に反射または散乱するおそれがある。ハウジング１４は、レーザ光線１８の反射および散乱した部分がハウジング１４の外側のユーザ位置、特にユーザの目に直接達するのを防ぐ。しかし、ハウジング１４は、ハウジング１４内に配置されたユーザの手２６を直接保護することはない。
【００１７】
本発明の安全装置２４は、ユーザがハウジング１４内でワークを操作しているときなどにハウジング１４内に配置されたユーザの手２６を保護する。安全装置２４は、手袋３８、つなぎ綱４０，プーリ４２、磁石４４、センサ４６、およびライン４８を含む。手袋３８は、手２６を収容可能な保護バリアであり、開口部３２の周囲でハウジング１４に固定される。手袋３８は、矢印５２の方向でハウジング１４に向かって付勢された蛇腹状すなわちベローズ状のリブ付部分５０を含む。よって、手袋３８は、図１に示す引込位置に向かって付勢されている。
【００１８】
手袋３８の素材は、第２の危険領域３６内のレーザ光線１８の反射および散乱した部分を吸収する。これにより、手２６がハウジング１４内に配置されたときにレーザが照射されるおそれが減少する。手袋３８用の適切な素材の例は、ニトリル基化合物、ネオプレン基化合物、ブタジエンスチレン基化合物およびこれらの組合せを含む標準的なゴム手袋用化合物を含む。他の実施例では、手袋３８の代わりに照射に対する保護を提供する他の保護バリアを用いてもよい。
【００１９】
安全装置２４は、手袋３８による照射に対する保護に加えて、レーザ光線１８の公称危険領域２８内に手２６があるときにレーザ光線１８の強度を待機レベルに低下させることによってユーザを保護する。これは、磁石４４とセンサ４６によって達成され、センサ４６は、磁石４４とセンサ４６との間の距離に基づいてハウジング１４内の手２６の位置を特定する。磁石４４は、磁界を発生させる信号生成要素であり、つなぎ綱によって手袋３８に連結される。つなぎ綱４０は、手袋３８に連結された第１の端部と、磁石４４に連結された第２の端部４０ｂと、を含む。他の実施例では、つなぎ綱は、手袋３８と一体形成可能である。手袋３８が使用されないまた他の実施例では、つなぎ綱４０の第１の端部４０ａは（例えば、手首で）ユーザの手２６に取付可能である。プーリ４２は、基部１２およびハウジング１４からオフセットされた固定位置で回転可能に固定される。つなぎ綱４０は、第１の端部４０ａの横方向運動が第２の端部４０ｂの垂直運動に変換されるようにプーリ上に延びている。
【００２０】
センサ４６は、磁石４４の磁界を感知可能な磁気作動スイッチである。センサ４６用の適切な装置の例には、ホールセンサおよびリードスイッチが含まれる。センサ４６は、基部１２に固定されてライン４８を介して制御装置２０と通信する。センサ４６は、磁石４４の磁界を感知するか否かに基づいて第１の状態と第２の状態との間で切り替わる。センサ４６は、磁界が感知されないときには第１の状態であり、磁界が感知されると第２の状態に切り替わる。
【００２１】
センサ４６の状態は、制御装置２０によるレーザ１６の制御を指示する。センサ４６の第１の状態は、レーザ１６を特定の方法で制御する指示を制御装置２０に与えない。よって、ユーザがペダル式作動装置２２を押し下げると、レーザ１６は作動レベルのレーザ光線１８を生成する。しかし、センサ４６の第２の状態は、他の受信信号とは関係なく、レーザ光線１８の強度を作動レベルから待機レベルまで低下させるよう制御装置２０に指示を与える。よって、センサ４６の第２の状態に関連する信号は、ペダル式作動装置からの信号に優先し、ペダル式作動装置２２が第２の状態にあるときにレーザ光線１８の強度を待機レベルに低下させる。
【００２２】
センサ４６が磁石４４の磁界を感知するか否かは、一般に磁石４４とセンサ４６との間の距離に基づいており、この距離はユーザの手２６の位置に対応している。例えば、手２６が図１に示す引込位置にあるときは、センサ４６が磁石４４の磁界を感知するには磁石４４がセンサ４６から離れすぎている。このため、レーザ１６は、レーザ加工のために作動レベルのレーザ光線１８を生成できる。しかし、公称危険領域２８に入るように手２６が引込位置から充分に遠くまで移動すると、センサ４６が磁石４４の磁界を感知する位置まで磁石４４がセンサ４６に充分に近づく。これにより、レーザ光線１６の強度が待機レベルまで低下し、ユーザの手２６をレーザ光線１８の照射から保護する。
【００２３】
本発明の他の実施例では、磁石４４とセンサ４６の代わりに、リニアエンコーダ、信号強度を最小信号閾値と比較する信号閾値センサ、および当該技術で周知の他の構成要素などの他の形態の信号生成要素および対応するセンサを用いることができる。さらに、磁石４４の横方向運動の範囲を制限するために磁石４４をガイドレールに移動可能に連結してもよい。また、手袋３８は、ハウジング１４に連結された（チェーンやケーブルなどの）タイバックによって物理的に拘束することができる。ハウジング１４と手袋３８との間のタイバックの長さは、手袋３８が公称危険領域２８に物理的に入るのを防止するように選択可能である。
【００２４】
図２は、ユーザの手２６が公称危険領域２８内に延びる延長位置で手袋３８を示している。この状況は、ユーザが公称危険領域２８内でワークを操作しているときに起こりうる。ユーザは、リブ付部分５０の付勢力よりも大きい反対方向の力を加えることで引込位置から手袋３８を延長する。手袋３８は、引込位置から引込位置と延長位置とを含むこれらの間の種々の位置に移動可能である。また、ユーザは、ハウジング１４内で軸方向回転運動を含むあらゆる方向に手袋３８を移動させることができる。よって、手袋３８は、ハウジング１４内で高いレベルの自由運動を提供し、ユーザがワークを把持および操作することを可能にする。これは、ワークの操作に高レベルの敏捷性が要求される溶接や切断で特に有利である。
【００２５】
本発明の一実施例では、磁石４４とセンサ４６とは、ユーザの手２６が公称危険領域２８に入るとセンサ４６が磁石４４の磁界を感知して状態を切り換えるように配置される。引込位置から公称危険領域２８に向かってユーザが手２６を伸ばすと、磁石４４が垂直に上昇する。これにより、磁石４４はセンサ４６に近づく。手２６が公称危険領域２８に達すると、磁石４４は、センサ４６が磁石４４の磁界を感知できる程度にセンサ４６の近くに位置する。制御装置２０は、これに応じて、上述したようにレーザのレーザ光線１８の強度を待機レベルに低下させる。これにより、ユーザの手２６が公称危険領域２８内に配置されているときには、レーザ光線１８の強度が安全なレベルすなわちゼロ強度レベルに自動的に低下する。従って、ユーザは公称危険領域２８内で作業するためにレーザ１６を手動で非作動状態とする必要がない。
【００２６】
ユーザが手２６を引込位置に向かって移動すると、磁石４４が垂直方向で下降してセンサ４６から遠ざかる。手２６が公称危険領域２８を出ると、センサ４６は磁石４４の磁界を感知しなくなる。そうすると、センサ４６は第１の状態に戻るように切り替わり、ユーザがペダル式作動装置２２を押し下げることに応答して、レーザ光線１８の強度が作動レベルに戻るように増加する。よって、ペダル式作動装置２２を押し下げている間、ユーザはレーザ光線１８が誤って照射されることを心配せずに公称危険領域２８の内外に手を繰り返し移動することができる。安全装置２４は、手２６が公称危険領域２８内にあるときにはレーザ光線１８の強度を安全なレベルすなわちゼロ強度レベルに低下させ、手２６が公称危険領域２８を出るとレーザ１６の強度が作動レベルに戻るように増加することを可能にする。これにより、レーザ光線１８の照射のおそれが減少し、レーザ１６を用いた作業の安全性が向上する。
【００２７】
図３，図４は、レーザ照射によりワークを加工するのに適した他の産業用レーザ装置であるレーザ装置１１０の側面図である。図３に示すように、レーザ装置１１０は、安全装置２４の代わりに安全装置１５３を使用しているほかは、図１，図２のレーザ装置１０に類似している（対応する参照番号には１００を足している）。安全装置１５３は、ユーザがハウジング１１４内でワークを操作しているときなど、ユーザの手１２６がハウジング１１４内に配置されているときこれを保護する。安全装置１５３は、手袋１３８と、ライン１４８を介して制御装置１２０と通信するエミッタ／センサ１５４と、を含む。
【００２８】
手袋１３８は、図１で手袋３８について説明したのと同様の方法で機能する。手袋１３８は、第２の危険領域１３６内で反射および散乱したレーザ光線１１８の部分を吸収し、ハウジング１１４内で高レベルの自由運動を提供する。さらに、手袋１３８は、エミッタ／センサ１５４がハウジング１１４内におけるユーザの手１２６の位置を検出可能となるように（例えば、インク、顔料、染料などの紫外線（ＵＶ）発光材料である）蛍光材料を含むことができる。蛍光材料は、手袋１３８の製造に使用される成形材料に含まれてもよく、または、蛍光材料を含むコーティング、フィルム、またはラップで手袋を覆うこともできる。
【００２９】
蛍光材料は、手袋１３８が紫外線の波長光を吸収したときに（以下では“信号波長光”と呼ぶ）特定の波長光を発することを可能にする。特に、紫外線の波長光が手袋１３８に向けられると、手袋１３８に含まれる蛍光材料の電子が紫外線の波長光から光子を吸収し、元のエネルギ状態からより高いエネルギ状態に励起される。電子がより低いエネルギ状態に低下すると、光子は手袋１３８から放出される。しかし、これにより得られる低エネルギ状態は、元のエネルギ状態とは異なり、放出された光子が紫外線の波長光よりも長い波長を有するようになる。一般に、手袋１３８が発する光子の特定の波長（すなわち、信号波長光）は、使用される発光材料の種類および密度によって決まる。
【００３０】
エミッタ／センサ１５４は、ハウジング１１４内に配置されており、紫外線エミッタ１５６とセンサ１５８とを含む、組み合わされたエミッタ／センサ装置である。エミッタ／センサ１５４の適切な装置の例は、“ＵＶＸ１００”および“ＵＶＸ３００”発光センサと呼ばれる、オハイオ州クリーブランド（Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，Ｏｈｉｏ）所在のイーエムエックス インダストリーズ インコーポレイテッド（ＥＭＸ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．）により市販されている商品を含む。
【００３１】
紫外線エミッタ１５６は、紫外線１６０を発する信号生成要素である。紫外線１６０は、図３に示すように、表面１３０に向けられるとともにレーザ光線１１８の周囲に広がる発散光である。表面１３０およびワークは一般に蛍光材料を含まないので、表面１３０およびワークは信号波長光を発しない。しかし、手袋１３８が蛍光材料を含むために、手袋１３８は、紫外線１６０内に配置されているときに紫外線１６０の一部を吸収して信号波長光を発する。
【００３２】
紫外線１６０は、レーザ光線１１８の最大出力密度の位置であるレーザ光線１１８の焦点１１８ａを含むように配置されることが望ましい。さらに望ましくは、紫外線１６０は、図１で説明した公称危険領域２８と同様のレーザ光線１１８の公称危険領域（図示省略）を実質的に含むように配置される。これにより、手袋１３８がレーザ光線１１８の公称危険領域に入ったときに紫外線１６０が手袋に向けられる。
【００３３】
センサ１５８は、エミッタ／センサ１５４に向かって発せられた信号波長光を感知するセンサである。センサ１５８は、ライン１４８を介して制御装置１２０に出力信号を生成する電子機器を含む。出力信号は、第１の状態と第２の状態とを有し、これらの状態は予め設定された閾値以上の強度を有する信号波長光をセンサ１５８が感知するか否かに基づいている。センサ１５８が信号波長光を感知しないか、感知される信号波長光が予め設定された閾値を超えない場合には、センサ１５８の出力信号は第１の状態である。センサ１５８の出力信号は、感知された信号波長光が予め設定された閾値以上の場合に第２の状態に切り替わる。
【００３４】
予め設定された閾値は、バックグラウンドの信号波長光の検出によってセンサ１５８の出力信号が誤って第２の状態に切り替わるのを防止する。例えば、溶接などのレーザ作業中には、ワークの溶融金属から測定可能な量の信号波長光が発せられる可能性がある。よって、予め設定される閾値は、このようなバックグラウンドの信号波長光の強度よりも高く設定されることが望ましい。これにより、センサ１５８は、手袋１３８から発せられて感知された信号波長光とバックグラウンドの信号波長光とを区別することができる。従って、紫外線エミッタ１５６は、手袋１３８が予め設定された閾値よりも大きい強度で信号波長光を発することを可能にする強度の紫外線１６０を発することが望ましい。これにより、手袋１３８からエミッタ／センサ１５４に向かって発せられる信号波長光の部分が、予め設定された閾値を超えるようになる。
【００３５】
センサ１５８の出力信号の状態により、センサ４６について図１で上述したのと同様の方法で、制御装置１２０によってレーザ１１６に制御指示が与えられる。出力信号の第１の状態は、特定の方法でレーザ１１６を制御する指示を特に制御装置１２０に与えない。よって、ユーザがペダル式作動装置１２２を押し下げると、レーザ１１６は作動レベルのレーザ光線１１８を生成する。しかし、出力信号の第２の状態は、他の受信信号に関係なく、レーザ１１６のレーザ光線１１８の強度を作動レベルから待機レベルに低下させるように制御装置１２０に指示を与える。従って、センサ１５８の第２の状態における出力信号は、ペダル式作動装置１２２の信号に優先し、ペダル式作動装置１２２が第２の状態にある場合でもレーザ光線１１８の強度を待機レベルに低下させる。
【００３６】
センサ１５８が信号波長光を感知するか否かは、ユーザの手１２６および手袋１３８の位置に一般に基づく。例えば、手袋１３８が図３に示す引込位置にあるときには、手袋１３８は紫外線１６０内に配置されていない。よって、レーザ１１６は、レーザ加工のために作動レベルでレーザ光線１１８を生成することができる。しかし、手１２６が引込位置から充分に離れた位置まで移動すると、手袋１３８は紫外線１６０に入って紫外線１６０の部分を吸収するとともにエミッタ／センサ１５４に向かって信号波長光を発する。感知された信号波長光の強度が予め設定された閾値を超えるので、レーザ光線１１８の強度は待機レベルに低下してユーザの手１２６をレーザ光線１１８の照射から保護する。
【００３７】
図４は、ユーザの手１２６が紫外線１６０内に伸びる、延長位置における手袋１３８を示している。ユーザは、リブ付部分１５０の付勢力よりも大きい反対方向の力を加えることで引込位置から手袋１３８を延長する。手袋１３８は、引込位置から引込位置と延長位置とを含むこれらの間の種々の位置に移動可能である。
【００３８】
ユーザが手１２６を紫外線１６０内に伸ばすと、紫外線１６０の部分が手袋に吸収され、これにより信号波長光が手袋１３８から発せられる。発せられた信号波長光がハウジング１１４内で散乱する一方で、信号波長光の一部はエミッタ／センサ１５４に向けられる。センサ１５８は、信号波長光のこれらの部分を感知する。このような信号波長光の感知される部分は手袋１３８から発せられるので、その強度は予め定められた閾値を超える。続いて、制御装置１２０が、これに応じてレーザ１１６のレーザ光線１１８の強度を待機レベルに低下させる。これにより、ユーザの手１２６が紫外線１６０内に配置されているときには、レーザ光線１１８の強度が安全なレベルすなわちゼロ強度レベルに自動的に低下する。従って、ユーザは紫外線１６０の領域内で作業するためにレーザ１１６を手動で非作動状態とする必要がない。
【００３９】
ユーザが手１２６を引込位置に向かって移動すると、手袋１３８が紫外線１６０から出る。これにより、センサ１５８は信号波長光を感知しなくなる。そうすると、センサ１５８の出力信号は第１の状態に戻るように切り替わり、ユーザがペダル式作動装置１２２を押し下げることに応答して、レーザ光線１１８の強度が作動レベルに戻るように増加する。よって、ペダル式作動装置１２２を押し下げている間、ユーザはレーザ光線１１８が誤って照射されることを心配せずに紫外線１６０の内外に手を繰り返し移動することができる。安全装置１５３は、手１２６が紫外線１６０内にあるときにはレーザ光線１１８の強度を安全なレベルすなわちゼロ強度レベルに低下させ、手１２６が紫外線１６０を出るとレーザ１１６の強度が作動レベルに戻るように増加することを可能にする。これにより、レーザ光線１１８の照射のおそれが減少し、レーザ１１６用いた作業の安全性が向上する。
【００４０】
図３，図４に開示されたものとは別の実施例では、エミッタ／センサ１５４は（紫外線の波長光ではなく）特定の色の光波長を発するとともに感知することができる。エミッタ／センサ１５４用の適切な色ベースの装置の例は、“ＣＯＬＯＲＭＡＸ−１０００ ＤＩＳＣＲＥＴＥ”、“ＣＯＬＯＲＭＡＸ−１０００ ＨＥＸ”、および“ＣＯＬＯＲＭＡＸ−１０００ ＲＧＢ”色センサと呼ばれる、オハイオ州、クリーブランド所在のイーエムエックス インダストリーズ，インコーポレイテッドによって市販されている商品を含む。この実施例では、手袋１３８は、手袋１３８が所定の色の光線に入ったことを検出するために色センサに関連する所定の色を反射または発する材料を含みうる。
【００４１】
好適実施例を参照して本発明を説明したが、当業者であればわかるように、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに形態および詳細を変更することができる。例えば、レーザ装置１０，１１０は単一の安全装置（安全装置２４，１５３）を有するように開示されているが、本発明の安全装置を複数使用してもよい。特に、両手がハウジング１４内にある状態でユーザが安全に作業を行うために、一対の本発明の安全装置２４が使用されることが望ましい。また、紫外線１６０の照射範囲を増加させるために複数の安全装置１５２を使用することもできる。さらに、本発明は、レーザ加工装置とともに使用するように開示されているが、レーザを使用するあらゆる装置での使用に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】手袋が引込位置にある本発明のレーザ制御安全装置を含むレーザ装置の側面図である。
【図２】手袋が延長位置にある本発明のレーザ制御安全装置を含むレーザ装置の側面図である。
【図３】手袋が引込位置にある本発明の他のレーザ制御安全装置を含むレーザ装置の側面図である。
【図４】手袋が延長位置にある本発明の他のレーザ制御安全装置を含むレーザ装置の側面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…レーザ装置
１２…基部
１４…ハウジング
１６…レーザ
１８…レーザ光線
１８ａ…レーザ光線の焦点
１８ｂ…レーザ光線の収束部
１８ｃ…レーザ光線の発散部
２０…制御装置
２２…ペダル式作動装置
２４…安全装置
２６…ユーザの手
２８…公称危険領域
３０…表面
３２…開口部
３４，４８…ライン
３６…第２の危険領域
３８…手袋
４０…つなぎ綱
４０ａ…つなぎ綱の第１の端部
４０ｂ…つなぎ綱の第２の端部
４２…プーリ
４４…磁石
４６…センサ
５０…リブ付部分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光線を生成するレーザの制御システムであって、
ユーザの手の位置を感知するセンサと、
感知されたユーザの手の位置に基づいてレーザの動作を制御する制御装置と、を有することを特徴とするレーザの制御システム。
【請求項２】
ユーザの手のための保護バリアをさらに含むことを特徴とする請求項１記載のレーザの制御システム。
【請求項３】
前記保護バリアは、紫外線発光材料を含むことを特徴とする請求項２記載のレーザの制御システム。
【請求項４】
前記レーザは、感知されたユーザの手の位置に基づいて、レーザ光線の強度を作動レベルから待機レベルに低下させるように前記制御装置によって制御されていることを特徴とする請求項１記載のレーザの制御システム。
【請求項５】
前記制御装置は、ユーザの手がレーザ光線の公称危険領域に入ると、レーザ光線の強度を待機レベルに低下させることを特徴とする請求項４記載のレーザの制御システム。
【請求項６】
信号生成要素をさらに含むことを特徴とする請求項１記載のレーザの制御システム。
【請求項７】
前記信号生成要素は磁石を含み、前記センサは磁気作動スイッチを含むことを特徴とする請求項６記載のレーザの制御システム。
【請求項８】
前記信号生成要素は紫外線エミッタを含み、前記センサは紫外線波長光センサを含むことを特徴とする請求項６記載のレーザの制御システム。
【請求項９】
ユーザの手がハウジングに出入り可能となるように、少なくとも１つの開口部を含むハウジングをさらに有することを特徴とする請求項１記載のレーザの制御システム。
【請求項１０】
レーザ光線を使用してワークに製造加工を行う産業用レーザ装置であって、
ユーザの手がハウジングに出入り可能となるように、少なくとも１つの開口部を有するハウジングと、
前記ハウジング内でレーザ光線を生成するレーザと、
作動時に第１の状態を有し、非作動時に第２の状態を有する作動装置と、
ハウジング内におけるユーザの手の位置を感知するとともに、感知されたユーザの手の位置に基づいてセンサ信号を提供するセンサと、
前記作動装置の状態と前記センサ信号とに基づいて前記レーザの動作を制御する制御装置と、を有することを特徴とする産業用レーザ装置。
【請求項１１】
ユーザの手のための保護バリアをさらに有することを特徴とする請求項１０記載の産業用レーザ装置。
【請求項１２】
前記レーザは、前記作動装置が第１の状態にあり、かつ前記センサ信号がユーザの手が公称危険領域外にあることを示すときに、作動レベルのレーザ光線を生成するように前記制御装置によって制御されていることを特徴とする請求項１０記載の産業用レーザ装置。
【請求項１３】
前記制御装置は、前記センサによりユーザの手が公称危険領域内にあることが感知されると、前記レーザのレーザ光線の強度を作動レベルから待機レベルに低下させることを特徴とする請求項１２記載の産業用レーザ装置。
【請求項１４】
信号生成要素をさらに有することを特徴とする請求項１０記載の産業用レーザ装置。
【請求項１５】
前記信号生成要素は磁石を含み、前記センサは磁気作動スイッチを含むことを特徴とする請求項１４記載の産業用レーザ装置。
【請求項１６】
前記信号生成要素は紫外線エミッタを含み、前記センサは紫外線波長光センサを含むことを特徴とする請求項１４記載の産業用レーザ装置。
【請求項１７】
レーザ光線を生成するレーザのレーザ動作の制御方法であって、
作動装置を非作動状態と作動状態との間で切り替え、
ユーザの手がレーザ光線の公称危険領域に入ったときに第１の状態から第２の状態に切り替わるセンサによってユーザの手の位置を感知し、
前記作動装置が作動状態にあり、かつ前記センサが第１の状態にあるときに、作動レベルのレーザ光線を生成するようにレーザを制御することを含むことを特徴とするレーザ動作の制御方法。
【請求項１８】
前記レーザは、前記センサが第２の状態にあるときに、レーザ光線の強度を作動レベルから待機レベルに低下させるように制御されることを特徴とする請求項１７記載のレーザ動作の制御方法。
【請求項１９】
ユーザの手の位置の感知は、前記センサと、ユーザの手と動作可能に接続された信号生成要素との間の距離に基づいて行われることを特徴とする請求項１７記載のレーザ動作の制御方法。
【請求項２０】
ユーザの手を保護バリア内に収容することをさらに含むことを特徴とする請求項１７記載のレーザ動作の制御方法。
【請求項１】
レーザ光線を生成するレーザの制御システムであって、
ユーザの手の位置を感知するセンサと、
感知されたユーザの手の位置に基づいてレーザの動作を制御する制御装置と、を有することを特徴とするレーザの制御システム。
【請求項２】
ユーザの手のための保護バリアをさらに含むことを特徴とする請求項１記載のレーザの制御システム。
【請求項３】
前記保護バリアは、紫外線発光材料を含むことを特徴とする請求項２記載のレーザの制御システム。
【請求項４】
前記レーザは、感知されたユーザの手の位置に基づいて、レーザ光線の強度を作動レベルから待機レベルに低下させるように前記制御装置によって制御されていることを特徴とする請求項１記載のレーザの制御システム。
【請求項５】
前記制御装置は、ユーザの手がレーザ光線の公称危険領域に入ると、レーザ光線の強度を待機レベルに低下させることを特徴とする請求項４記載のレーザの制御システム。
【請求項６】
信号生成要素をさらに含むことを特徴とする請求項１記載のレーザの制御システム。
【請求項７】
前記信号生成要素は磁石を含み、前記センサは磁気作動スイッチを含むことを特徴とする請求項６記載のレーザの制御システム。
【請求項８】
前記信号生成要素は紫外線エミッタを含み、前記センサは紫外線波長光センサを含むことを特徴とする請求項６記載のレーザの制御システム。
【請求項９】
ユーザの手がハウジングに出入り可能となるように、少なくとも１つの開口部を含むハウジングをさらに有することを特徴とする請求項１記載のレーザの制御システム。
【請求項１０】
レーザ光線を使用してワークに製造加工を行う産業用レーザ装置であって、
ユーザの手がハウジングに出入り可能となるように、少なくとも１つの開口部を有するハウジングと、
前記ハウジング内でレーザ光線を生成するレーザと、
作動時に第１の状態を有し、非作動時に第２の状態を有する作動装置と、
ハウジング内におけるユーザの手の位置を感知するとともに、感知されたユーザの手の位置に基づいてセンサ信号を提供するセンサと、
前記作動装置の状態と前記センサ信号とに基づいて前記レーザの動作を制御する制御装置と、を有することを特徴とする産業用レーザ装置。
【請求項１１】
ユーザの手のための保護バリアをさらに有することを特徴とする請求項１０記載の産業用レーザ装置。
【請求項１２】
前記レーザは、前記作動装置が第１の状態にあり、かつ前記センサ信号がユーザの手が公称危険領域外にあることを示すときに、作動レベルのレーザ光線を生成するように前記制御装置によって制御されていることを特徴とする請求項１０記載の産業用レーザ装置。
【請求項１３】
前記制御装置は、前記センサによりユーザの手が公称危険領域内にあることが感知されると、前記レーザのレーザ光線の強度を作動レベルから待機レベルに低下させることを特徴とする請求項１２記載の産業用レーザ装置。
【請求項１４】
信号生成要素をさらに有することを特徴とする請求項１０記載の産業用レーザ装置。
【請求項１５】
前記信号生成要素は磁石を含み、前記センサは磁気作動スイッチを含むことを特徴とする請求項１４記載の産業用レーザ装置。
【請求項１６】
前記信号生成要素は紫外線エミッタを含み、前記センサは紫外線波長光センサを含むことを特徴とする請求項１４記載の産業用レーザ装置。
【請求項１７】
レーザ光線を生成するレーザのレーザ動作の制御方法であって、
作動装置を非作動状態と作動状態との間で切り替え、
ユーザの手がレーザ光線の公称危険領域に入ったときに第１の状態から第２の状態に切り替わるセンサによってユーザの手の位置を感知し、
前記作動装置が作動状態にあり、かつ前記センサが第１の状態にあるときに、作動レベルのレーザ光線を生成するようにレーザを制御することを含むことを特徴とするレーザ動作の制御方法。
【請求項１８】
前記レーザは、前記センサが第２の状態にあるときに、レーザ光線の強度を作動レベルから待機レベルに低下させるように制御されることを特徴とする請求項１７記載のレーザ動作の制御方法。
【請求項１９】
ユーザの手の位置の感知は、前記センサと、ユーザの手と動作可能に接続された信号生成要素との間の距離に基づいて行われることを特徴とする請求項１７記載のレーザ動作の制御方法。
【請求項２０】
ユーザの手を保護バリア内に収容することをさらに含むことを特徴とする請求項１７記載のレーザ動作の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−６１９１０（Ｐ２００７−６１９１０Ａ）
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２９９９１（Ｐ２００６−２２９９９１）
【出願日】平成１８年８月２８日（２００６．８．２８）
【出願人】（５９０００５４４９）ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション (581)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＴＥＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２８日（２００６．８．２８）
【出願人】（５９０００５４４９）ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション (581)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＴＥＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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