DE112006003867B4

DE112006003867B4 - Laseroszillatorvorrichtung, Energieversorgungsvorrichtung und zugeordnetes Steuerungsverfahren

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Publication number: DE112006003867B4
Application number: DE112006003867T
Authority: DE
Inventors: Toshiki Koshimae; Toshiaki Watanabe; Takeshi Morimoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: JPWO2007129363A1; CN101427429B; US7889772B2; JP4803254B2; DE112006003867T5; CN101427429A; WO2007129363A1; US20090207871A1

Abstract

Laseroszillatorvorrichtung mit einer Einrichtung zum Messen einer Ausgangsleistung eines Laserstrahls, der von dieser emittiert wird, zum Vergleichen des gemessenen Ausgangsleistungswerts mit einem Laserausgangsleistungssollwert und zum Bestimmen eines Stromsollwerts, der einer Pumpeinrichtung für ein Lasermedium so zugeführt wird, dass eine Laserausgangsleistung entsprechend dem Laserausgangsleistungssollwert erzielbar ist,
gekennzeichnet durch
eine Stromsollwert-Bestimmungseinheit (31), die den Sollstromwert bestimmt gemäß der Differenz zwischen dem gemessenen Laserausgangsleistungswert und dem Laserausgangsleistungssollwert,
eine Obergrenzstromwert-Bestimmungseinheit (32), die in Abhängigkeit des Laserausgangsleistungssollwerts einen Obergrenzstromwert bestimmt, und
eine Strombegrenzungseinrichtung (30), die den Stromsollwert auf unterhalb des Obergrenzstromwerts begrenzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laseroszillatoreinrichtung, eine Energieversorgungseinrichtung und ein Verfahren, zum Steuern einer Laseroszillatoreinrichtung.
In DE 102 96 374 T5 ist ein Laseroszillator beschrieben, der in Übereinstimmung mit einem Laserausgabeinstruktionswert oder einem Strominstruktionswert ein Lasermedium erregt und eine gewünschte Laserausgabe erhält. Der Laseroszillator enthält eine Referenzwellenformgenerierungseinheit zum Einsetzen des Laserausgabeinstruktionswerts oder des Strominstruktionswerts, um eine Laserausgabewellenform und eine Stromwellenform zu generieren, die Referenzen sind. Ferner enthält der Oszillator eine erste Vergleichseinheit zum Erhalten eines als Stromüberwachungswert verwendeten Stromwerts, und zum Vergleichen des Stromwerts mit der Stromwellenform, und eine zweite Vergleichseinheit zum Vergleichen eines anhand der Erregung des Lasermediums erhaltenen Laserausgabeüberwachungswert mit der Laserausgabewellenform, um hierdurch eine Anomalie zu erfassen.
In einer weiteren in JP 63-250 833 A beschriebenen konventionellen Energieversorgungsvorrichtung für eine Laseroszillatorvorrichtung wird ein Obergrenzstromwert gemäß einem Nennstromwert in Pumpeinrichtungen wie beispielsweise einer Lampe oder einer Laserdiode bestimmt, und der Obergrenzstrom wird mit einem detektierten Stromwert verglichen. Nachdem eine Zeitperiode verstrichen ist, nachdem der detektierte Stromwert den Obergrenzstromwert überschritten hat, wurde die Stromzuführung unterbrochen, um dadurch die Pumpeinrichtung zu schützen.
Über eine lange Verwendungsperiode einer Laseroszillatorvorrichtung haftet sich jedoch Schmutz, so wie Staub oder organische Substanzen in der Umgebung, an der Oberfläche einer optischen Komponente an, so wie einem Teilreflektor. Eine in einer optischen Komponente auftretende Verschmutzung oder dergleichen bewirkt, dass die Effizienz einer Laseroszillation aufgrund von Energieverlust (der im Endeffekt eine Wärmeabfuhr ist) in der optischen Komponente vermindert wird, wodurch eine Laserausgangsleistung reduziert wird. Zu diesem Zeitpunkt versucht eine Steuerungsoperation, die Laserausgangsleistung auf einem konstanten Niveau die Ausgangsleistung konstant zu halten durch Erhöhen eines Stroms, der durch eine Laserdiode fließt, wodurch eine Operation durchgeführt wird wie z. B. ein Kompensieren des reduzierten Betrags der Laserausgangsleistung. Während die Effizienz der Laseroszillation reduziert wird, wenn der durch die Laserdiode fließende Strom erhöht wird, d. h. wenn eine dem Laser zugeführte Energie zu erhöhen ist, wird der Betrag bzw. die Menge des Energieverlusts in der optischen Komponente, wo eine Verschmutzung aufgetreten ist, erhöht; mit anderen Worten heißt dies, dass die Wärmeabfuhr erhöht wird. Dies bewirkt, dass sich eine Verschmutzung weiter entwickelt und dass eine Bräunung der optischen Komponente verstärkt wird, was eventuell zu fatalen Schäden führt, was wiederum zum Austausch der Komponente führt.
Obwohl in der oben beschriebenen konventionellen Technik ein Obergrenzstromwert bestimmt wird, da ein Obergrenzstromwert entsprechend eines Nennstromwertes der Pumpeinrichtung, wie z. B. der Laserdiode, eingestellt wird, wird ein Strom bis zu einem festen Obergrenzstromwert an die Pumpeinrichtung angelegt unabhängig der Größe des Laserausgangsleistungsbefehlswertes. Daher wird, wie vorangehend beschrieben, wenn die Verschmutzung in der optischen Komponente auftritt, wodurch die Reduzierung der Laserausgangsleistung bewirkt wird, der Energieverlust in der optischen Komponente erhöht, was zu einer Wahrscheinlichkeit von Defekten führt, was wiederum zum Austausch der zugehörigen Komponente führt.
Das technische Problem der vorliegenden Erfindung besteht in der Überwindung der genannten Nachteile.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses technische Problem gelöst durch eine Laseroszillatorvorrichtung mit den Merkmalen des Patenanspruchs 1, durch eine Energieversorgungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 sowie durch ein Verfahren zum Steuern einer Laseroszillatorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
Die Laseroszillatorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht das Messen einer Leistung eines Laserstrahls, der von dieser emittiert wird, zum Vergleichen des gemessenen Ausgangswertes mit einem gewünschten Laserausgangsleistungssollwert und zum Bereitstellen eines einer Pumpeinrichtung zuzuführenden Stroms, der ein Lasermedium pumpt, so dass eine Laserausgangsleistung entsprechend dem Laserausgangsleistungssollwert erreicht werden kann, wobei die Laseroszillatorvorrichtung eine Obergrenzstromwert-Bestimmungseinheit umfasst, die entsprechend dem Laserausgangsleistungssollwert einen Obergrenzstromwert bestimmt, und eine Strombegrenzungseinrichtung, die den Stromwert so begrenzt, dass der Stromwert unterhalb des Obergrenzwertes ist.
Vorteilhafterweise wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Obergrenzstromwert zum Begrenzen eines der Pumpeinrichtung zugeführten Stroms bestimmt, unter Verwendung eines Laserausgangsleistungssollwertes, wodurch die Erhöhung eines der Pumpeinrichtung zuzuführenden Stromes, d. h. die Erhöhung der der Laseroszillatorvorrichtung zugeführten Energie, vermieden werden kann. Ferner kann ein Energieverlust in der optischen Komponente reduziert werden, und die Entwicklung eines Schadens bzw. eines Defekts, der zum Austausch der Komponente führt, kann vermieden werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben; es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer Laservorrichtung, die eine Laseroszillatorvorrichtung verwendet, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Prinzipdarstellung einer Konfiguration der Laseroszillatorvorrichtung, gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine Tabelle, die die Eigenschaften einer Laserdiode darstellt;
4 eine Prinzipdarstellung, die die Bestimmung eines Obergrenzstromwertes der Laseroszillatorvorrichtung darstellt, gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ein Blockdiagramm einer Konfiguration einer Obergrenzstromwert-Bestimmungseinheit der Laseroszillatorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine Tabelle, die ein Beispiel einer Konfiguration von Obergrenzstromwerten der Laseroszillatorvorrichtung gemäß der ersten bzw. zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 eine Prinzipdarstellung einer anderen Konfiguration einer Laseroszillatorvorrichtung, gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 ein Blockdiagramm einer Konfiguration einer Obergrenzstromwert-Bestimmungseinheit einer Laseroszillatorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ein Flussdiagramm, das die Operation einer Laseroszillatorvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
10 ein Blockdiagramm einer anderen Konfiguration einer Obergrenzstromwert-Bestimmungseinheit der Laseroszillatorvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 eine Prinzipdarstellung einer Konfiguration einer Laseroszillatorvorrichtung, gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 ein Blockdiagramm einer Konfiguration einer Obergrenzstromwert-Bestimmungseinheit einer Laseroszillatorvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 eine Tabelle, die ein Beispiel einer Bestimmung einer Obergrenzstromwert-Relaxationsrate der Laseroszillatorvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
14 ein Blockdiagramm einer Konfiguration einer Vergleichseinrichtung in einer Laseroszillatorvorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15 ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer Laseroszillatorvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
16 Graphen, die jeweils eine zeitliche Variation der Laserausgangsleistung der Laseroszillatorvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
17 ein Blockdiagramm einer Konfiguration einer Laserausgangsleistungs-Bestimmungseinheit einer Laseroszillatorvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
18 Graphen, die jeweils zeitliche Veränderungen in einer Laserausgangsleistung einer Laseroszillatorvorrichtung gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
Die 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Konfiguration einer Laservorrichtung, die eine Laseroszillatorvorrichtung verwendet, gemäß einer ersten Ausführungsform zum Implementieren der vorliegenden Erfindung. Ein von einer Energieversorgungsvorrichtung 10 zugeführter Gleichstrom wird Laserdioden 1 zugeführt. Ein Lasermedium 2 wird mit Pumplicht 15 gepumpt, das erhalten wird durch emittiertes Licht von den Laserdioden 1, und dann tritt Resonanz zwischen einem Totalreflexionsspiegel 3 und einem Teilreflexionsspiegel 4 auf, wodurch die Laserstrahlen 16 erhalten werden. Die so erhaltenen Laserstrahlen werden aufgeweitet und kollimiert mit einer Aufweitungslinse 5 bzw. einer Kollimationslinse 6, und sie werden dann an der Endseite einer optischen Faser 8 durch eine Lichtleitfasereintrittslinse 7 gesammelt. Die fokussierten bzw. kondensierten Laserstrahlen, die durch das Innere der optischen Faser 8 laufen, werden über einen Bearbeitungskopf 9 zu einem vorbestimmten Ort geleitet. Eine Laserausgangsleistung wird dadurch gemessen, dass ein Teil der Laserstrahlen eine Leistungsüberwachungseinrichtung 13 bzw. einen Leistungsmesser 13 unter Verwendung eines Teilreflektionsspiegels 14 beaufschlagt. Die Laserausgangsleistung kann eingestellt werden durch Variieren eines durch die Laserdioden 1 fließenden Stroms. Im Allgemeinen wird ein Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert durch eine extern bereitgestellte Steuerungseinrichtung 17 zu der Energieversorgungsvorrichtung 10 gegeben, die den Laserdioden 10 Strom zuführt. Die Energieversorgungsvorrichtung 10 steuert den Strom, der den Laserdioden 1 zuzuführen ist.
Die 2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Konfiguration einer Laservorrichtung in der ersten Ausführungsform zum Implementieren der vorliegenden Erfindung und im Genaueren eine Ansicht, die das Innere der Energieversorgungsvorrichtung 10 darstellt. Eine von einer externen Spannungsquelle 20 bereitgestellte Spannung wird unter Verwendung eines Gleichrichters 21 in eine Gleichspannung konvertiert, die wiederum einen Kondensator 22 auflädt. Dann führt das Einschalten eines Transistors 23 dazu, dass der Strom über eine Drossel 24 in die Laserdioden 1 fließt. Während der Transistor 23 eingeschaltet bleibt, erhöht sich der Strombetrag, der den Laserdioden 1 zugeführt wird. Wenn der Strombetrag größer als der gewünschte Strombetrag ist, wird daher der Transistor 23 ausgeschaltet, um den Strom zurück in die Diode 25 zu speisen, wodurch die Strommenge reduziert wird. Umgekehrt, wenn der Stromwert unter den gewünschten Stromwert sinkt, wird der Transistor 23 eingeschaltet, wodurch der Strom erhöht wird. Das Wiederholen des Ein- und Ausschaltens steuert den Strom auf den gewünschten Stromwert.
Im Folgenden wird die Stromsteuerungsoperation detaillierter beschrieben. Der aktuell durch die Laserdioden 1 fließende Strom wird gemessen, und der gemessene Wert wird in eine Stromsteuerungseinrichtung 27 geladen. Der gemessene Stromwert, der geladen wurde, und ein Referenz- bzw. Sollstromwert, der als die Referenz dient, werden in eine erste Vergleichseinrichtung 28 eingegeben. Wenn der gemessene Stromwert, der der durch die Laserdioden 1 fließenden Strom ist, niedriger ist als der Sollstromwert, leitet die Vergleichseinrichtung 28 beispielsweise ein 5-Volt-Einschaltsignal zu dem Steuerschaltkreis 29 für den Transistor 23, um den Transistor 23 einzuschalten. Wenn der gemessene Stromwert oberhalb des Sollstromwertes ist, dann leitet die erste Vergleichseinrichtung 28 beispielsweise ein Null-Volt-Ausschaltsignal zu dem Steuerschaltkreis 29 für den Transistor 23, um den Transistor 23 auszuschalten. Basierend auf den so von der ersten Vergleichseinrichtung 28 weitergeleiteten Einschalt- und Ausschaltbefehlen zu dem Transistor 23 führt der Steuerschaltkreis 29 für den Transistor 23 einen Strom oder eine Spannung zu, die momentan zum Einschalten oder Ausschalten des Transistors 23 benötigt werden, wodurch das Einschalten und Ausschalten von diesem erreicht wird. Durch solche Operationen wird der den Laserdioden 1 zugeführte Strom auf den Sollstromwert gesteuert.
Als nächstes wird das Bestimmen des Sollstromwertes beschrieben. In der vorliegenden Erfindung werden ein Sollstromwert und ein Obergrenzstromwert in eine zweite Vergleichseinrichtung 30 eingegeben. Wenn der Sollstromwert unterhalb des Obergrenzstromwertes ist, dann wird der Sollstromwert als der Referenzstromwert ausgegeben zu der nachgeschalteten ersten Vergleichseinrichtung. Umgekehrt wird dann, wenn der Sollstromwert oberhalb des Obergrenzstromwertes liegt, der Obergrenzstromwert als der Sollstromwert zu der nachgeschalteten ersten Vergleichseinrichtung 28 ausgegeben. Anders ausgedrückt ist der Sollstromwert unterhalb des Obergrenzstromwertes begrenzt.
Im Folgenden wird der Sollstromwert beschrieben. Der Sollstromwert wird in einer Sollstromwert-Bestimmungseinheit 31 bestimmt, wie diese beispielsweise in 2 gezeigt ist. Laserausgangsleistungssollwerte (ist gleich Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswerte), wie beispielsweise ein Ausgangsbestimmungswert, der manuell durch einen Betreiber eingegeben wird, und ein Ausgangsbestimmungswert in einem Maschinenprogramm werden eingegeben als digitale Werte oder spannungskonvertierte Werte (beispielsweise entsprechend einem Sollwert von 4000 W, wenn die Spannung 5 Volt ist), in die Sollstromwert-Bestimmungseinheit 31. Ebenfalls wird der Laserausgangsleistungswert, der mit dem Leistungsmesser 13 gemessen wird, auch eingegeben als ein digitaler Wert oder ein Spannungskonvertierungswert in die Sollstromwert-Bestimmungseinheit 31. In der Sollstromwert-Bestimmungseinheit 31 wird ein Sollstromwert, der den gemessenen Laserausgangsleistungswert einem Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert angleichen muss, berechnet. Wenn beispielsweise der gemessene Laserausgangsleistungswert größer ist als der Laserausgangsleistungs-Bestimmungswert, dann wird der Sollstromwert erhöht; wenn andernfalls dieser kleiner ist, dann wird der Sollstromwert reduziert. Dies bedeutet, dass gemäß der Differenz zwischen dem gemessenen Laserausgangsleistungswert und dem Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert ein der Pumpeinrichtung zuzuführender Stromwert berechnet werden kann basierend auf Daten von Laserausgangsleistungsvariationen gegen Stromvariationen. Ein durch die Berechnung bestimmter Stromwert wird als ein Sollstromwert ausgegeben, dann wird ein momentan der Pumpeinrichtung zugeführter Stromwert gesteuert, so dass dieser der Sollstromwert ist, und eine Laserausgangsleistung wird erneut gemessen. Eine Wiederholung einer Serie der oben beschriebenen Aktionen bewirkt, dass die Laserausgangsleistung sich dem Laserausgangsleistungs-Sollbestimmungswert annähert. Diese Steuerungsoperation bezieht sich auf eine Rückkoppelsteuertechnik, die üblicherweise bei der Laserausgangsleistungs-Steueroperation verwendet wird.
Als nächstes wird der Obergrenzstromwert beschrieben. Wie in 2 gezeigt, wird der Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert in die Obergrenzstrom-Bestimmungseinheit 32 auch eingegeben. Die Obergrenzstrom-Bestimmungseinheit 32 bestimmt einen Obergrenzstromwert gemäß einem Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert, der eingegeben wurde. Ein Beispiel des Bestimmens des Obergrenzstromwertes aus dem Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert wird unten beschrieben.
Wenn die Pumpeinrichtung die Laserdioden 1 verwendet, nachdem der Stromwert einen Grenzwert überschritten hat, wobei ein minimaler Strom für Laseroszillation benötigt wird, erhöht sich die Pumpleistung von den Laserdioden im Wesentlichen linear mit der Erhöhung des Stroms, wodurch eine Beziehung zwischen einem Strom I und einer Pumpleistung W wie folgt angenähert werden kann: W = A1 × I – B1 Gleichung 1 wobei A1 und B1 Konstanten sind.
Auch in einer Beziehung zwischen der Laserausgangsleistung der Laseroszillatorvorrichtung und der Pumpleistung der Laserdiode, da nachdem der Stromwert den Grenzstrom überschreitet die Laserausgangsleistung im Wesentlichen linear steigt, wenn die Pumpleistung steigt, kann eine Beziehung zwischen einer Pumpleistung W und einer Laserausgangsleistung P wie folgt angenähert werden: P = A2 × W – B2 Gleichung 2 wobei A2 und B2 Konstanten sind.
Aufgrund der Gleichungen 1 und 2 gilt die folgende Gleichung: P = (A1 × A2) × I – A2 × B1 – B2 Gleichung 3
Aus Gleichung 3 kann ein Stromwert, der benötigt wird zum Erhalten einer Laserausgangsleistung P, angenähert werden durch die folgende Gleichung: I = AP + B Gleichung 4 wobei A = 1/(A1 × A2), und B = (A2 × B1 + B2)/(A1 × A2).
Die Konstanten A und B können bestimmt werden, wenn die Werte A1, A2, B1 und B2 bekannt sind. Um die Werte A1, A2, B1 und B2 zu bestimmen, wird eine Pumpleistung durch Variieren des Stroms der Laserdiode gemessen, und die Werte werden durch Gleichung 1 angenähert. Gleichermaßen wird eine Beziehung zwischen der Pumpleistung und der Laserausgangsleistung durch Gleichung 2 angenähert. Solche Annäherungen ergeben die Werte A1, A2, B1 und B2 und dann die Konstanten A und B.
Wenn eine Laseroszillatorvorrichtung durch Verwenden einer Vielzahl von Laserdioden gepumpt wird, oder wenn die Laseroszillatorvorrichtung eine Vielzahl von optischen Komponenten umfasst, könnte es Variationen in den Eigenschaften der entsprechenden Laserdioden oder optischen Komponenten geben. Wenn daher die Werte A1, A2, B1 und B2 bestimmt werden, wird es notwendig, eine Annäherung durchzuführen unter Verwendung eines Zentralwertes der Variationen der Eigenschaften, die die Laserdiode oder die Laseroszillatorvorrichtung annehmen kann, oder Verwenden der schlechtesten Eigenschaften, d. h. die, die die niedrigste Ausgabe erzeugen, wenn der gleiche Strom zugeführt wird. Ein Berechnungsbeispiel wird unten gezeigt.
Die 3 zeigt Eigenschaften bzw. Charakteristiken der Laserdiode-Pumpleistungswerte gegen Werte des durch die Laserdioden 1 fließenden Stroms. Unter den verwendeten Laserdioden wird angenommen, dass die mit der schlechtesten Eigenschaft die Ausgangscharakteristik in 3a aufweist, und die mit der besten Charakteristik eine Ausgangscharakteristik wie die in 3b gezeigte aufweist. Beim Bestimmen der Werte unter Verwendung von Zentralwerten ist der Zentralwert (0 W + 10 W)/2 = 5 W bei 20 A; der Ausgangswert ist (30 W + 40 W)/2 = 35 W bei 50 A. Daher ergibt ein Einsetzen der Werte in Gleichung 1 die Werte A1 und B1. Wenn die schlechteste Charakteristik verwendet wird, ergibt ein Einsetzen von 0 W bei 20 A und 30 W bei 50 A, was in 3a gezeigte Werte sind, in Gleichung 1 die Werte A1 und B1. Gleichfalls ermöglicht bei der Bestimmung der Werte A2 und B2 die Verwendung von Werten in den besten und schlechtesten Charakteristiken der Laseroszillatorvorrichtung, dass solche Werte bestimmt werden. Es ist vorzuziehen, dass diese Werte in einem Zustand bestimmt werden, in dem keine Verschmutzung bei den optischen Komponenten auftritt, wie beispielsweise in der Anfangsphase oder in einem Zustand nach einem Wartungsdienst der Laseroszillatorvorrichtung. Bestimmen des Obergrenzstromwertes, wobei dieser Zustand als Referenzzustand dient, erlaubt, dass die Erhöhung des Stromwertes aufgrund von Verschmutzung auf optischen Komponenten wirksam vermieden werden kann. Gleichung 4 wird durch eine durchgezogene Linie in 4 repräsentiert in einem Graphen, in dem eine Laserausgangsleistung auf der horizontalen Achse gezeichnet ist, und ein Stromwert auf der vertikalen Achse gezeichnet ist. Hier ist ein Stromwert, der notwendig ist zum Erhalten des Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswertes, bekannt durch Berücksichtigen der Laserausgangsleistung als den Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Obergrenzstromwert basierend auf 4 bestimmt; jedoch wird der Anstieg des Stroms auch beeinflusst durch Variationen wie beispielsweise der Kühlwassertemperatur oder der Umgebungstemperatur, die sich von der Ausgangsleistungsreduzierung aufgrund von Verschmutzung der optischen Komponenten und dergleichen unterscheiden. Daher muss der Obergrenzstromwert bestimmt werden unter Berücksichtigung des benötigten Stromwertes, der aus Gleichung 4 berechnet wird, der Variationen des Stromwertes aufgrund von Variationen wie beispielsweise der Kühlwassertemperatur und der Umgebungstemperatur. Die Größe des Einflusses variiert gemäß einer Konfiguration der Pumpeinrichtung oder der Laseroszillatorvorrichtung. Wenn eine Laserdiode verwendet wird, wird die Kühlwassertemperatur vergleichsweise genau gesteuert, und die Größe des Einflusses ist niedrig; jedoch treten Variationen von etwa ±2–3% in der Ausgangsstabilität auf. Wenn die Ausgabe im Bereich von ±2–3% variiert, dann variiert auch der Strom in einem Bereich von ±2–3%. Unter Berücksichtigung dieser Variation für den Obergrenzstromwert müssen 2–3% eines benötigten Stromwertes, der aus Gleichung 4 berechnet wird, hinzugefügt werden zu dem benötigten Stromwert. Wenn beispielsweise der zum Erhalten einer gegebenen Ausgangsleistung angenommene Stromwert 50 A ist, dann muss der Obergrenzstromwert 51 A bis 51,5 A sein. Der so bestimmte Obergrenzstromwert ist durch eine unterbrochene Linie A in 4 angedeutet. Die Steigung der unterbrochenen Linie A ist Null in der Nachbarschaft, wo die Laserausgangsleistung an deren Maximum ist; dies ist so, da vermieden wird, dass der Stromwert einen Stromwert der Obergrenze übersteigt, der auferlegt ist durch einen Wert wie beispielsweise dem Nennstromwert der Pumpeinrichtung. In der unterbrochenen Linie A in 4 wird beispielsweise ein Wert, der erhalten wird durch Addieren eines Stroms von 2 A zu dem benötigten Stromwert, der mit Gleichung 4 berechnet wird, als der Obergrenzstromwert zugeordnet. Ferner, je größer die Laserausgangsleistung ist, desto mehr entwickelt sich die Degradation der optischen Komponenten aufgrund von Verschmutzung. Aus diesem Grund kann eine Bestimmung auf solch eine Art und Weise durchgeführt werden, dass je größer der Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert ist, desto kleiner wird die Differenz zwischen dem benötigten Stromwert, der mit Gleichung 4 berechnet wird, und dem Obergrenzstromwert. Wenn beispielsweise die Laserausgangsleistung beim Zentralwert in dem Bereich von Null bis zum Maximalwert ist, dann ist die Differenz zwischen dem Stromwert und dem Obergrenzstromwert als 2 A bestimmt. Wenn der Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert 0 W ist, dann ist die Differenz als 4 A bestimmt; wenn diese bei der Maximalausgangsleistung bestimmt ist, dann ist die Differenz als 0 A bestimmt.
Der so bestimmte Obergrenzstromwert ist als eine unterbrochene Linie B in 4 dargestellt. Die unterbrochene Linie B ist vorteilhafter für den Schutz der optischen Komponenten verglichen mit der unterbrochenen Linie A. Wenn jedoch ein Laserstrahl mit hoher Leistung verwendet wird, da die Linie B eine kleinere Toleranz aufweist als die Linie A relativ zu dem Stromwert, bewirken die Umgebungstemperaturvariationen oder Wassertemperaturvariationen, dass der Stromwert den Obergrenzstromwert erreicht, was zu einer weiteren Möglichkeit führt, dass die Ausgangsleistung nicht erzeugt wird. Wenn die Vorrichtung häufig eine hohe Ausgabe nutzt, kann der Obergrenzstromwert basierend auf der unterbrochenen Linie in 4 bestimmt werden, wobei wenn die Vorrichtung die hohe Ausgabe wenig verwendet, der Stromwert basierend auf der unterbrochenen Linie B bestimmt werden kann. Ferner kann der oben beschriebene Obergrenzstromwert wie unten beschrieben berechnet werden. 5 zeigt eine Konfiguration der Obergrenzstrom-Bestimmungseinheit 32. Wie in 5 gezeigt, ist eine Speichereinheit 35 in der Obergrenzstrom-Bestimmungseinheit 32 bereitgestellt; die Steigung des Obergrenzstromwertes A oder B in 4 und der Abschnitt y, die vorberechnet sind, werden in der Speichereinheit 35 gespeichert. Eine Obergrenzstromwert-Berechnungseinheit 36, die durch einen Mikrocomputer in der Obergrenzstrom-Bestimmungseinheit 32 gebildet ist, berechnet den Obergrenzstromwert basierend auf der Steigung und dem Abschnitt y, die in der Speichereinheit 35 gespeichert sind, und einem Laserausgangsleistungsbefehls-Bestimmungswert, der von der Steuereinheit 17 einzugeben ist.
Auf diese Art und Weise werden der Obergrenzstromwert, der mit der Obergrenzstrom-Bestimmungseinheit 32 berechnet wird, und der Sollstromwert, der in der Sollstromwert-Bestimmungseinheit 31 bestimmt wird, in die zweite Vergleichseinrichtung 30 eingegeben. Wenn die Laseroszillatorvorrichtung normal arbeitet, dann wird der Sollstromwert als ein Referenzstromwert ausgegeben; basierend auf dem Referenzstromwert wird die Laserausgangsleistung gesteuert durch eine Rückkoppelsteuerungsschleife, um ein Sollbestimmungswert zu sein. Wenn andererseits die Leistung aufgrund von Verschmutzung auf der optischen Komponente vermindert wird, wird der Obergrenzstromwert als ein Referenzstromwert ausgegeben, wobei der Obergrenzstromwert einen Strom begrenzt, der benötigt wird zum Erhalten der Laserausgangsleistung mit dem Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert, um lediglich in der Größenordnung von mehreren Ampere zu übersteigen. Da ein der Pumpeinrichtung zugeführter Strom gesteuert wird durch eine Rückkoppelsteuerschleife basierend auf diesem Referenzstromwert, ist eine Stromzuführung durch den Obergrenzstromwert zu begrenzen. Mit dieser Anordnung, ungleich dem Fall mit einer konventionellen Laseroszillatorvorrichtung, steigt ein Stromwert nicht bis zu dem Nennstromwert einer Laserdiode, wodurch eine fatale Entwicklung von Verschmutzung vermieden wird, die zum Austausch der optischen Komponente führt.
Wie in 6a gezeigt, wird in einer Laseroszillatorvorrichtung, die die Eigenschaft von variierender Laserausgangsleistung mit Bezug auf einen der Pumpeinrichtung zugeführten Strom aufweist, ein Obergrenzstromwert wie in 6b bestimmt basierend auf der unterbrochenen Linie in 4. Während die Laserausgangsleistung von 2000 W verwendet wird, wenn angenommen wird, dass der Stromwert bis zum Obergrenzstromwert aufgrund von Verschmutzung auf der optischen Komponente ansteigt, kann in dieser Situation die Erhöhung des Stromwertes auf 2 A begrenzt werden. In einer konventionellen Laseroszillatorvorrichtung, wenn der Nennstromwert der Laserdiode 70 A ist und die optische Komponente stark verschmutzt ist, dann wird in einem schlechtesten Fall der Strom von 50 A zugeführt, wobei der Stromwert um 20 A erhöht ist. Eine elektrische Energie, die mit dem Erhöhungsbetrag von diesem Stromwert korrespondiert, ist eine, die zugeführt wird, um einen Energiebetrag zu kompensieren, der konsumiert wird aufgrund von Verschmutzung auf der optischen Komponente. Wenn ein durch die Laserdiode fließender Strom um 1 A erhöht wird, dann erhöht sich die Ausgangsleistung um 1 W in einem Fall, in dem die Laserdiode die in 3a gezeigten Charakteristiken aufweist. Eine Hochleistungslaser-Oszillatorvorrichtung verwendet näherungsweise mehrere hundert Laserdioden; der Stromanstieg von 2 A bedeutet, dass eine Leistung von mehreren hundert Watt durch eine optische Komponente absorbiert wird, auf der sich eine Verschmutzung befindet. Jedoch führt in einer optischen Komponente für die Verwendung in einer Hochleistungslaser-Oszillatorvorrichtung Wärmeabfuhr in der Größenordnung von mehreren hundert Watt nicht zu einem fatalen Defekt, der zu einem Austausch der Komponente führt. In einer konventionellen Laseroszillatorvorrichtung wird jedoch im schlimmsten Fall eine Leistung von mehreren tausend Watt in der verschmutzten optischen Komponente absorbiert, was zu einer vergrößerten Wahrscheinlichkeit eines fatalen Defekts führt, was zu einem Austausch der optischen Komponente führt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, in dem eine Laserdiode als die Pumpeinrichtung verwendet wird. Im Fall einer anderen Pumpeinrichtung unterscheiden sich lediglich Annäherungsgleichungen in den Gleichungen 1 und 2. Beispielsweise kann in einem Fall einer Lampe Gleichung 1 angenähert werden durch die Gleichung zweiter Ordnung P = A1 × I² + A2 × I + B1. Im Fall anderer Einrichtungen kann in einem ähnlichen Ansatz der Obergrenzstromwert auf eine gleiche Art und Weise bestimmt werden.
Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In der Laseroszillatorvorrichtung nach der ersten Ausführungsform speichert die Speichereinheit 35 die Daten der Steigung und den Abschnitt y des relationalen Ausdrucks zwischen dem Laserausgangsleistungssollwert und dem Obergrenzstromwert. Die Steigung und der Abschnitt y werden aus Daten in den 6a und 6b erhalten. Jedoch kann gemäß einer zweiten Ausführungsform auch beispielsweise eine Konfiguration verwendet werden, in der die Speichereinheit 35 die Daten aus den 6a und 6b speichert, und basierend darauf, welche Daten ein Obergrenzstromwert entsprechend einem Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert, der in die Obergrenzstromswertberechnungseinrichtung 36 eingegeben wird, ausgewählt oder berechnet wird, wird in der vorliegenden zweiten Ausführungsform ein Stromwert zugeordnet, der mit einem diskreten Laserausgangsleistungssollwert korrespondiert. Wenn der Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert exakt ein in der Speichereinheit 35 gespeicherter Wert ist, dann kann ein Stromwert ausgelesen werden, während wenn dieser ein Zwischenwert von Daten ist, dann kann ein Stromwert in einer minimalen Laserausgangsleistung, die den Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert überschreitet, verwendet werden.
Zu Beginn, in Situationen, in denen in 6a gezeigte Daten in der Speichereinheit 35 gespeichert sind, wird eine Beschreibung gegeben, wie eine Berechnung in der Obergrenzwertberechnungseinheit 36 durchgeführt wird. Wenn beispielsweise der Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert mit 1800 W bestimmt ist, dann kann ein Stromwert von 50 A bei einer minimalen Laserausgangsleistung, die 1800 W überschreitet, d. h. 2000 W, ausgewählt werden als ein Stromwert. Zusätzlich kann ein Stromwert durch lineare Approximation zwischen diskreten Werten erhalten werden. Wenn der Laserausgangsleistungswert 1800 W ist, dann ist der Stromwert 40 A bei einer Laserausgangsleistung von 1500 W, und der Stromwert ist 50 A bei 2000 W; daher kann durch lineare Approximation zwischen zwei Punkten der Stromwert bei 1800 W wie folgt sein: (50 A – 40 A)/(2000 W – 1500 W) × (1800 W – 1500 W) + 40 A = 46 A
Wenn eine Obergrenze, wie durch die unterbrochene Linie A in 4 angedeutet, bestimmt werden soll mit Bezug auf den Stromwert, der auf diese Art und Weise berechnet wurde, kann der Obergrenzstromwert derjenige sein, der erhalten wird durch Addieren des Stromwertes zu einem festen Stromwert (2 A für 4). Wenn eine Obergrenze, wie durch die unterbrochene Linie B in 4 angedeutet, bestimmt werden soll, wird ein Beziehungsausdruck zwischen der zu erhöhenden Strommenge und einem Laserausgangsleistungswert gespeichert (im Fall von 4 eine Gleichung erster Ordnung Y = AX + B, die zu 4 A bei 0 W führt, und 0 A bei der maximalen Ausgangsleistung). Dann wird eine zu erhöhende Strommenge aus einem Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert bestimmt, der eingegeben wurde; was notwendig ist, ist dass ein durch Addieren des bestimmten Stromwertes zu dem oben beschriebenen Stromwert als der Obergrenzstromwert ausgegeben wird.
Als nächstes werden Situationen, in denen in 6b gezeigte Daten in der Speichereinheit 35 gespeichert werden, unten beschrieben. Wenn beispielsweise der Laserausgangswert bei 1800 W eingestellt ist, dann kann ein Obergrenzstromwert von 52 A bei einer minimalen Laserausgangsleistung, die 1800 W übersteigt, d. h. 2000 W ausgewählt werden als ein Stromwert. Zusätzlich kann ein Stromwert erhalten werden durch eine lineare Approximation zwischen diskreten Werten. Wenn der Laserausgangsleistungswert 1800 W ist, dann ist der Stromwert 42 A bei einer Laserausgangsleistung von 1500 W, und der Strom ist 52 A bei 2000 W; daher kann durch die lineare Approximation zwischen den zwei Punkten der Stromwert bei 1800 W wie folgt sein: (52 A – 42 A)/(2000 W – 1500 W) × (1800 W – 1500 W) + 42 A = 48 A
Der so in der Obergrenzstromwert-Berechnungseinheit 36 berechnete Stromwert, der an sich ein Obergrenzstrom ist, kann als der Obergrenzwert ausgegeben werden.
Die Laseroszillatorvorrichtung gemäß der vorliegenden zweiten Ausführungsform ist wie oben beschrieben konfiguriert, wobei ein gemessener Wert oder ein Obergrenzstromwert direkt in einer Speichereinheit gespeichert werden kann, was sich von dem Fall in Ausführungsform 1 unterscheidet – es gibt keinen Bedarf, einen Ausdruck einer Beziehung zwischen einem Laserausgangsleistungswert und einem Obergrenzstromwert separat abzuleiten. Daher können vorteilhafte Wirkungen und Effekte erreicht werden, in denen Voreinstellungen der Laseroszillatorvorrichtung reduziert werden können, und es kann vermieden werden, dass die Laseroszillatorvorrichtung aufgrund von ungenauer Bestimmung des relationalen Ausdrucks nicht funktioniert.
Im Folgenden wird eine dritte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Eine Laseroszillatorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform ist konfiguriert zum Steuern des Stroms, der einer Laserdiode zugeführt wird, um eine gewünschte Laserausgangsleistung zu emittieren. Jedoch führt eine Variation eines Stromwertes, mit dem die Laserdiode versorgt wird, zu einer Veränderung einer Mode eines Laserstrahls, der von der Laseroszillatorvorrichtung emittiert wird. Bei Bearbeitungsoperationen, bei denen eine relativ hohe Genauigkeit nicht benötigt wird, oder beim Übertragen eines Laserstrahls durch eine optische Faser stellt eine Modenvariation des Laserstrahls kein Problem dar; wenn jedoch keine optische Faser verwendet wird, dann ist eine genaue Bearbeitung notwendig und eine Variation in der Mode des Laserstrahls stellt ein Problem dar. Die vorliegende dritte Ausführungsform stellt eine Laseroszillatorvorrichtung bereit, die auch für Bearbeitungsoperationen eingesetzt werden kann, so wie in einem Fall, in dem die Modenvariation des Laserstrahls ein Problem darstellt.
7 ist ein Schemadiagramm einer Konfiguration einer Laseroszillatorvorrichtung gemäß der vorliegenden dritten Ausführungsform. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf Elemente, die die gleichen sind wie die der Laseroszillatorvorrichtung nach der ersten Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist, und eine damit verbundene detaillierte Beschreibung wird weggelassen. Teile, die sich von den in 2 gezeigten unterscheiden, werden unten beschrieben. Anders als ein Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert gibt die Steuereinheit 17 einen Sollstrombestimmungswert und einen Obergrenzstrom-Bestimmungswert aus. Die Stromsteuereinheit 27 in der Energieversorgungsvorrichtung 10 ist mit einem Signalschalter 40 bereitgestellt. In der ersten Ausführungsform wurde ein Sollstromwert von der Sollstromwert-Bestimmungseinheit 31 und ein Obergrenzstromwert von der Obergrenzstrom-Bestimmungseinheit 32 direkt zu der ersten Vergleichseinrichtung 28 weitergeleitet. Andererseits schaltet in der vorliegenden dritten Ausführungsform ein Signalschalter 40 zwischen einem Obergrenzstromwert von der Obergrenzstrom-Bestimmungseinheit 32 und einem Obergrenzstrom-Bestimmungswert von der Steuereinheit 17, um ein Signal zu der zweiten Vergleichseinrichtung 30 zu liefern beim Schalten zwischen einem Sollstromwert von der Sollstromwert-Bestimmungseinheit 31 und einem Sollstrom-Bestimmungswert von der Steuereinheit 17. In 7 sind ein Sollstromwert von der Sollstromwert-Bestimmungseinheit 31 und ein Obergrenzstromwert von der Obergrenzstrom-Bestimmungseinheit 32 in die Vergleichseinrichtung 30 einzugeben, wenn der Signalschalter 40 in einen durch die unterbrochene Linie gezeigten Zustand geschaltet ist. Dies ist die gleiche Operation wie in der ersten Ausführungsform. Anders dargestellt wird die Steuerungsoperation anwendbar auf Bearbeitung durchgeführt, bei der die Modenvariation des Laserstrahls kein Problem darstellt.
Wenn andererseits in 7 der Signalschalter 40 zu einem durch die durchgezogene Linie gezeigten Zustand geschaltet ist, werden ein Sollstrom-Bestimmungswert und ein Obergrenzstrom-Bestimmungswert von der Steuereinheit 17 in die Vergleichseinrichtung 30 eingegeben. Diese Operation steuert ohne Einfluss von einem gemessenen Laserausgangsleistungswert einen Strom, der durch die Laserdioden 1 fließt, so dass dieser ein Sollstrom-Bestimmungswert ist, d. h. ein konstanter Stromwert. Dies kann die Modenvariation eines Laserstrahls reduzieren, wodurch die Laseroszillatorvorrichtung für präzise Bearbeitung anwendbar wird, ohne eine optische Faser zu verwenden. Hier kann der Obergrenzstrom-Bestimmungswert wie der in einer konventionellen Technik bestimmt werden als ein Stromwert, der mit dem Nennstromwert einer Laserdiode korrespondiert. In einem Konstantstromsteuerungsmodus erhöht sich ein durch die Laserdioden 1 fließender Strom nicht, selbst wenn die optische Komponente verschmutzt ist, was zu einer Reduzierung einer Laserausgangsleistung führt; dann wird der Energieverlust in der optischen Komponente erhöht, wodurch ein Defekt der optischen Komponente vermieden wird, obwohl es ein Problem mit der Reduktion der Laserausgangsleistung gibt.
Die Laseroszillatorvorrichtung gemäß der vorliegenden dritten Ausführungsform umfasst die oben beschriebene Konfiguration. Bei Bearbeitungsoperationen, bei denen die Modenvariation eines Laserstrahls kein Problem darstellt, funktioniert die Laseroszillatorvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf die gleiche Art und Weise wie die Laseroszillatorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, wodurch gleiche vorteilhafte Wirkungen erreicht werden. Da das System in einem Konstantstromsteuerungsmodus arbeiten kann, ist ein weiterer Vorteil, dass dieses auch auf Bearbeitung angewendet werden kann, bei der die Modenvariation eines Laserstrahls ein Problem darstellt; im Vergleich mit einer Laseroszillatorvorrichtung nach der ersten Ausführungsform weist die Laseroszillatorvorrichtung gemäß der vorliegenden dritten Ausführungsform einen größeren anwendbaren Bearbeitungsbereich auf, wodurch die allgemeine Vielseitigkeit des Systems verbessert wird. Ferner stellt die Anwendung der vorliegenden Konfiguration auf die anderen Ausführungsformen gleiche vorteilhafte Wirkungen für die anderen Ausführungsformen bereit.
Im Folgenden wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die Laseroszillatorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform ist konfiguriert zum Vorberechnen, basierend auf einem Laserausgangsleistungswert und einem Stromwert, der Steigung und des Abschnitts y der Gleichung, die einen Obergrenzstromwert von einer Laserausgangsleistung berechnet, und speichert diese in der Speichereinheit 35. Der Stromwert wird gemessen durch Berücksichtigen eines Zustandes als den Referenzzustand, wo keine Verschmutzung in der optischen Komponente der Laseroszillatorvorrichtung auftritt, so wie vorzugsweise in einem Anfangszustand und in einem Zustand nach einer Wartung. Die Laseroszillatorvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform wurde konfiguriert zum Speichern eines vorab gemessenen Stromwertes und eines Laserausgangsleistungswertes so wie sie sind oder nach Konvertierung in entsprechende Obergrenzstromwerte. In einem Zustand vor der Verwendung einer Laseroszillatorvorrichtung bei einer tatsächlichen Bearbeitungsoperation, die als der Referenzzustand angenommen wird, enthält die Laseroszillatorvorrichtung in der vorliegenden Ausführungsform Mittel, die Daten messen zum Bestimmen eines Obergrenzstromwertes, und basierend auf den gemessenen Daten den Obergrenzstromwert bestimmen durch eine Instruktion eines Betreibers und Dergleichen. Die Gesamtkonfiguration der Laseroszillatorvorrichtung ist im Wesentlichen die gleiche wie die in 7 gezeigte gemäß der dritten Ausführungsform; da sich jedoch die Obergrenzstrom-Bestimmungseinheit 32 und die Steuereinheit 17 von den beschriebenen in Ausführungsform 3 unterscheiden, wird die Obergrenzstromwert-Bestimmungseinheit unten beschrieben.
8 zeigt ein Schemadiagramm einer Konfiguration einer Obergrenzstrom-Bestimmungseinheit 32 gemäß der vorliegenden vierten Ausführungsform. In der vorliegenden Ausführungsform wird zu Beginn ein Laserausgangsleistungswert gemessen, wenn ein Befehlsstromwert variiert wird, und eine Beziehung zwischen einem den Laserdioden 1 zugeführten Strom und einer Laserausgangsleistung wird erhalten. Die Beziehung zwischen diesen wird erhalten gemäß einem in 9 gezeigten Prozessfluss in einer Stromwert- und Laserausgangsleistungswert-Messeinheit 45 in 8. Basierend auf den 8 und 9 wird eine zugehörige Operation unten beschrieben.
In Situationen, in denen ein Betreiber einer Steuereinheit eine Instruktion zum Bestimmen eines Obergrenzstromwertes gibt, schaltet die Steuereinheit 17 zuerst den Signalschalter 40 auf die Schaltposition einer durchgezogenen Linie, die in 7 gezeigt ist. Diese Aktion steuert einen Stromwert gemäß einem Befehlsstrom-Bestimmungswert, der von der Steuereinheit 17 zugeführt wird. Die Steuereinheit 17 bestimmt den Befehlsstrom-Bestimmungswert zu 0 A (Schritt S00). Als nächstes leitet die Steuereinheit 17 ein Akquisitionsstartsignal und einen Befehlsstrom-Bestimmungswert zu der Stromwert- und Laserausgangsleistungswert-Messeinheit 45 (Schritt S01). Bei Empfang des Akquisitionsstartsignals bzw. Erfassungsstartsignals liest die Stromwert- und Laserausgangsleistungswert-Messeinheit 45 einen gemessenen Laserausgangsleistungswert aus (Schritt S02). Dann speichert die Stromwert- und Laserausgangsleistungswert-Messeinheit 45 in der Speichereinheit 35 ein Paar eines Sollstrom-Bestimmungswertes, der von der Steuereinheit 17 geliefert wurde, und einen gemessenen Laserausgangsleistungswert, der geladen wurde (Schritt S03). Dann erhöht die Steuereinheit 17 den Sollstrom-Bestimmungswert um einen gegebenen Wert (Schritt S04). Die Steuereinheit 17 ermittelt, ob der Sollstrom-Bestimmungswert einen Obergrenzstromwert erreicht hat (Schritt S05). Wenn der Sollstrom-Bestimmungswert den Obergrenzstromwert nicht erreicht hat, dann kehrt der Prozessfluss zu Schritt S01 zurück; die Prozesse von Schritt S01, Schritt S02 und Schritt S03 werden erneut ausgeführt, wobei ein Paar eines Strombestimmungswerts und ein gemessener Laserausgangsleistungswert der Reihe nach in der Speichereinheit 35 gespeichert werden. Wenn, während dieser Prozess wiederholt wird, der Sollstrom-Bestimmungswert den Obergrenzstrom-Bestimmungswert bei Schritt S05 erreicht, dann endet der Prozess zum Ermitteln der Beziehung zwischen dem Stromwert und der Laserausgangsleistung.
Durch solch einen Prozessfluss kann die Beziehung zwischen dem Stromwert und der Laserausgangsleistung ermittelt werden, was beispielsweise dazu führt, dass wie in 6a gezeigte Daten in der Speichereinheit 35 gespeichert werden. Obwohl in der vorangehenden Beschreibung angenommen wurde, dass der Sollstrom-Bestimmungswert in die Stromwert- und Laserausgangsleistungswert-Messeinheit 35 eingegeben wurde, können die gleichen Daten erfasst werden durch Eingeben eines gemessenen Stromwertes in diese von einem Stromsensor. Ferner konvertiert bei Schritt S03 die Stromwert- und Laserausgangsleistungswert-Messeinheit 45 den Sollstrom-Bestimmungswert, der von der Steuereinheit 17 gesendet wurde, in einen Obergrenzstromwert, um diesen in der Speichereinheit 35 zu speichern, wodurch in 6b gezeigte Daten in der Speichereinheit 35 gespeichert werden. Wenn der Obergrenzstromwert, wie der durch die unterbrochene Linie A in 4 angedeutete bestimmt werden soll, kann der folgende Prozess verwendet werden als ein Verfahren zum Konvertieren eines Sollstrom-Bestimmungswertes in einen Obergrenzstromwert; die Stromwert- und Laserausgangsleistungswert-Messeinheit 45 addiert den Sollstrom-Bestimmungswert mit einem festen Stromwert (2 A für 4), dann speichert die Speichereinheit 35 die Summe als einen Obergrenzstromwert. Wenn darüber hinaus eine Obergrenze bestimmt werden muss, wie durch die unterbrochene Linie B in 4 angedeutet, dann kann der folgende Prozess verwendet werden. Ein Ausdruck einer Beziehung zwischen dem zu erhöhenden Strombetrag und einem Laserausgangsleistungswert (für 4 eine Gleichung erster Ordnung Y = AX + B, die 4 A bei 0 W gibt und 0 A bei dessen maximaler Ausgabe) wird in der Stromwert- und Laserausgangsleistungswert-Messeinheit 45 gespeichert. Dann wird ein zu erhöhender Stromwert aus dem eingegebenen Laserausgangsleistungswert berechnet. Dann werden der berechnete Wert und der Sollstrom-Bestimmungswert zusammenaddiert. Schließlich wird der berechnete Wert als der Obergrenzstromwert in der Speichereinheit 35 gespeichert.
Wenn ein Erhöhungsbetrag des Sollstroms in Schritt S04 als ein kleiner Betrag bestimmt wird, dann benotigt der Stromwert Zeit, um die Obergrenze zu erreichen, obwohl die Messgenauigkeit verbessert wurde. Wenn im Gegensatz dazu ein großer Betrag bestimmt wird, dann ist die Messgenauigkeit vergleichsweise reduziert, obwohl die Messung schnell beendet ist. Aus diesem Grund kann der Erhöhungsbetrag davon soweit erforderlich bestimmt werden durch Gewichten entweder mit der Genauigkeit oder mit der Zeit.
Nachdem die Speichereinheit 35 die oberen Daten gespeichert hat, wird der Signalschalter 40 durch die Steuereinheit 17 auf die durch die unterbrochene Linie in 7 gezeigte Position geschaltet, und die Laseroszillatorvorrichtung wird gemäß einem Laserausgangsleistungs-Bestimmungswert gesteuert, der von der Steuereinheit 17 ausgegeben wird, wodurch eine vorteilhafte Wirkung erreicht wird, die gleich der in Ausführungsform 2 beschriebenen ist. In der Speichereinheit 35 gespeicherte Daten, die ein Daten paar von einer Laserausgangsleistung und einem Sollstrom-Bestimmungswert sind, oder ein Obergrenzstromwert können in der Speichereinheit 35 als ein relationaler Ausdruck zwischen der Laserausgangsleistung und einem Obergrenzstromwert gespeichert werden, wodurch eine Speichermenge in der Speichereinheit 35 reduziert werden kann. In dieser Situation ist die Obergrenzstrom-Bestimmungseinheit 32 wie in 10 gezeigt konfiguriert. Bezugnehmend auf 10 wird ein Datenpaar von einem Sollstrom-Bestimmungswert und einem gemessenen Laserausgangswert, die von der Stromwert- und Laserausgangsleistungswert-Messeinheit 45 zugeführt werden, in eine Relational-Ausdruck-Berechnungseinheit 50 eingegeben. Dann führt die Berechnungseinheit 50 Berechnungen durch, um dadurch einen Ausdruck einer Beziehung zwischen der Laserausgangsleistung und dem Obergrenzstromwert zu erhalten. Dann speichert die Speichereinheit 35 Daten der Steigung und des Abschnitts y des ermittelten relationalen Ausdrucks. Durch Erhalten des relationalen Ausdrucks, wie durch die unterbrochene Linie A in 4 gezeigt, kann der relationale Ausdruck in der Relational-Ausdruck-Berechnungseinheit 50 ermittelt werden unter Verwendung eines Laserausgangsleistungswerts und eines Wertes, der erhalten wird durch Addieren des Sollstromsteuerungswerts zu einem festen Wert. Zusätzlich wird durch Erhalten des relationalen Ausdrucks, wie durch die unterbrochene Linie B in 4 gezeigt, zuerst ein erhöhter Betrag des Stroms entsprechend der Laserausgangsleistung durch eine Gleichung erster Ordnung repräsentiert, die vorläufig in der Relational-Ausdruck-Berechnungseinheit 50 gespeichert wird. Unter Verwendung der Gleichung erster Ordnung wird der erhöhte Strom aus dem gemessenen Laserausgangsleistungswert berechnet. Dann werden der erhöhte Betrag und der Befehlsstrom-Bestimmungswert zusammenaddiert. Der relationale Ausdruck kann aus dem Summenwert und dem Laserausgangsleistungswert erhalten werden. Die Relational-Ausdruck-Berechnungseinheit 50 speichert die Steigung und den Abschnitt y des erhaltenen relationalen Ausdrucks bzw. des Vergleichsausdrucks. Ein Implementieren des oben beschriebenen Prozesses bewirkt, dass Daten, die ähnlich denen in Ausführungsform 1 sind, in der Speichereinheit 35 gespeichert werden. Daher kann bei Verwendung für eine tatsächliche Bearbeitungsoperation durch Einstellen des Signalschalters 14 in eine durch die gepunktete Linie in 7 gezeigte Position die Laseroszillatorvorrichtung durch eine Steuerungsoperation betrieben werden, die ähnlich der der ersten Ausführungsform ist.
In der vorliegenden vierten Ausführungsform enthält die Laseroszillatorvorrichtung eine Einrichtung, die Daten zum Bestimmen eines Obergrenzstromwerts misst, und die den Obergrenzstromwert basierend auf den gemessenen Daten bestimmt. Mit dieser Anordnung erzeugt die Laseroszillatorvorrichtung Daten, die in der Speichereinheit 35 zu speichern sind, wodurch eine weitere Reduzierung der Voreinstellung der Laseroszillatorvorrichtung ermöglicht wird.
In der oben beschriebenen Laseroszillatorvorrichtung erteilt eine Person, so wie ein Betreiber bzw. ein Benutzer, einen Zeitbefehl zum Speichern der Daten in der Speichereinheit 35 – d. h. die Zeit, bei der der Referenzzustand der Laseroszillatorvorrichtung ausgewählt wird zum Bestimmen des Obergrenzstromwerts. Jedoch können die Daten auf einer regulären Basis gespeichert werden; alternativ können diese in dem gleichen Fall gespeichert werden, wenn der Operationszustand der Laseroszillatorvorrichtung variiert, d. h. wenn, nachdem die Vorrichtung Speichern zu einem frühen Zeitpunkt der Systemeinführung durchgeführt hat, der Stromwert auf den Obergrenzstromwert ansteigt und die optischen Komponenten gereinigt sind. Durch Speichern der Daten bei regelmäßigen Intervallen, wenn eine Verschmutzung in der optischen Komponente gerade vor Datenakquirierung aufgetreten ist und die Daten in dem verschmutzten Zustand akquiriert werden, dann ist es wahrscheinlich, dass die Laseroszillatorvorrichtung den verschmutzten Zustand der optischen Komponente als den normalen Zustand erkennt. Wie unten diskutiert wird, erhöht daher der Vergleich von Daten, die das letzte Mal akquiriert wurden, mit Daten, die dieses Mal akquiriert wurden, die Zuverlässigkeit und vermeidet eine Falscherkennung. Nun wird eine Ausführungsform zum Vergleichen der Daten des letzten Mals mit den Daten, die dieses Mal akquiriert wurden, beschrieben. Die Steuereinheit 17 variiert einen Sollstrom-Bestimmungswert, und eine Laserausgangsleistung zu dieser Zeit wird gemessen, um den gemessenen Ausgangswert beispielsweise in der Steuereinheit 17 zu speichern. Die Steuereinheit 17 berechnet den Variationsbetrag zwischen dem Laserausgangsleistungswert, der das letzte Mal gemessen wurde, und dem dieses Mal gemessenen. Wenn dieser Variationsbetrag unterhalb eines festen Wertes ist, dann wird dieser als normal bewertet, und wenn dieser oberhalb des festen Wertes ist, dann wird dieser als anormal bewertet, wobei ein Ausgabesignal für eine externe Vorrichtung erzeugt wird. Ein Verfahren zum Definieren des festen Wertes enthält Abschätzen des Wertes unter Verwendung des Degradationsbetrags der Pumpeinrichtung und des Messzeitintervalls zwischen diesem Mal und dem letzten Mal. Beispielsweise vermindert sich die temporale charakteristische Degradation der Pumpeinrichtung um 20% für 10000 Stunden, d. h. dass angenommen wird, dass die Laserausgangsleistung auch um 20% reduziert wird; wenn das Zeitintervall zwischen dem letzten Mal und diesem Mal 1000 Stunden betragt, dann kann dieses als normal bestimmt werden, wenn die Laserausgangsleistung um 2% variiert und als anormal, wenn dieses um mehr als 2% variiert.
Um die Beziehung zwischen dem Stromwert und der Laserausgangsleistung zu erhalten, wird, wie oben diskutiert wurde, die Beziehung zwischen diesen etabliert durch Variieren des Sollstromwerts und der Laserausgangsleistung zu dieser Zeit. Jedoch kann solch eine Beziehung etabliert werden durch Messen eines Stromwertes und Variieren eines Laserausgangsleistungs-Sollwertes und durch Steuern auf einer festen Ausgangsbasis.
Unabhängig arbeitende Mikrocomputer können alle Funktionen der Speichereinheit 35 erfüllen, wie die Obergrenzwert-Berechnungseinheit 36, die Stromwert- und Laserausgangsleistungswert-Messeinheit 45 und die Vergleichsausdrucks-Berechnungseinheit 50, wie sie zuvor bereits diskutiert wurden; jedoch kann auch ein einzelner Mikrocomputer die gesamten Funktionen bereitstellen. Jedoch können auch die Stromsteuerungseinheit 27 und die Steuerungseinheit 17 integral durch den Mikrocomputer oder Dergleichen konfiguriert sein.
Im folgenden wird eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die Leistung der Pumpeinrichtung sinkt temporär selbst in einem normalen Zustand. Obwohl optische Komponenten und Dergleichen sich in einem normalen Zustand befinden, muss daher ein der Pumpeinrichtung zugeführter Strom temporär erhöht werden, um eine konstante Laserausgangsleistung beizubehalten. Obwohl sich die optischen Komponenten und Dergleichen in einem normalen Zustand befinden, kann aus diesem Grund in einigen Fällen der Stromwert, der der Pumpeinrichtung zugeführt wird, den Obergrenzstromwert erreichen. In der vorliegenden fünften Ausführungsform wird der Obergrenzstromwert gemäß der zeitlichen Degradation bzw. Verschlechterung der Pumpeinrichtung variiert.
11 zeigt eine Konfiguration einer Laseroszillatorvorrichtung gemäß der vorliegenden fünften Ausführungsform; 12 zeigt ein Blockdiagramm einer internen Konfiguration einer Obergrenzstromwert-Bestimmungseinheit der Laseroszillatorvorrichtung gemäß der vorliegenden fünften Ausführungsform. Die Unterschiede zu denen in den 2 und 5 gemäß der ersten Ausführungsform sind die Folgenden: eine Stromzuführungs-Evaluierungseinheit 55 und ein Operationssignal-Akkumulierungstimer 56 sind hinzugefügt, und eine Obergrenzstrom-Relaxationsraten-Berechnungseinheit 57 ist zusätzlich in der Obergrenzstrom-Bestimmungseinheit 32 bereitgestellt. Gemäß 11 wird ein von der Sollstromwert-Bestimmungseinheit 31 empfangener Sollstromwert zu der Stromzuführungs-Evaluierungseinheit 55 weitergeleitet, um dann mit dem Strom von 0 A verglichen zu werden. Wenn der Sollstromwert größer als 0 A ist, dann wird unter der Annahme, dass der Strom zugeführt wurde, das Operationssignal zu dem Operationssignal-Akkumulierungstimer 56 geliefert. Der Operationssignal-Akkumulierungstimer 56 addiert die Zeit, während das Operationssignal zugeführt wird, und die Zeit (Operationszeit) wird zu allen Zeiten zu der Obergrenzstrom-Bestimmungseinheit 32 weitergeleitet. Sobald die Laseroszillatorvorrichtung ausgeschaltet ist, speichert zusätzlich der Operationssignal-Akkumulierungstimer 56 eine Gesamtoperationszeit zu dieser Zeit. In Situationen, wo diese erneut eingeschaltet wird, wird die bereits gespeicherte Gesamtzeit hinzugefügt zu einer zusammengerechneten Zeit, während der das Operationssignal an ist, wodurch die Gesamtoperationszeit von Beginn an berechnet werden kann.
Gemäß 12 speichert die Speichereinheit 35 Vergleichsdaten bzw. relationale Daten zwischen der Relaxationsrate des Obergrenzstromwerts und eine Operationszeit, während der ein Strom der Pumpeinrichtung zugeführt wird, wie in 13 gezeigt. 13 zeigt Daten in Situationen, in denen die Pumpeinrichtung, wenn diese für 10000 Stunden verwendet wird, sich um 20% verschlechtert; der Wert der Relaxationsrate wird geeignet bestimmt gemäß der zu verwendeten Pumpeinrichtung. Gemäß 12 liest die Obergrenzstrom-Relaxationsraten-Berechnungseinheit 57 die Vergleichsdaten wie in 13 gezeigt aus, die in der Speichereinheit 35 gespeichert sind, zwischen der Relaxationsrate und einer Operationszeit. Dann vergleicht die Berechnungseinheit 50 die Daten mit einer Operationszeit, die als ein Eingang empfangen wird von dem Operationssignal-Akkumulierungstimer 56, um dadurch die Obergrenzstrom-Relaxationsrate zu berechnen, die schließlich zu der Obergrenzstrom-Berechnungseinheit 36 weitergeleitet wird. In der Obergrenzstrom-Berechnungseinheit 36 wird ein Obergrenzstromwert, in dem eine Operationszeit berücksichtigt ist, bestimmt durch Multiplizieren der Relaxationsrate mit dem Obergrenzstromwert. Daten der Obergrenzstrom-Relaxationsrate können in einigen Fällen wie in 13 gezeigt diskrete Werte annehmen. In dieser Situation kann die Obergrenzstrom-Relaxationsrate bestimmt werden durch Verwenden einer Obergrenzstrom-Relaxationsrate in einer minimalen Zeit, die die Operationszeit übersteigt, oder durch Repräsentieren durch eine lineare Approximation zwischen diskreten Werten.
Zu Beginn werden die Situationen beschrieben, in denen die Obergrenz-Relaxationsrate zu einer Zeit beschrieben, die die Operationszeit minimal übersteigt. Beispielsweise werden der Obergrenzstromwert und die Obergrenzstromwert-Relaxationsrate basierend auf 6b bzw. 13 bestimmt. Wenn die Operationszeit 3000 Stunden ist, dann wird der Laserausgangsleistungs-Sollbestimmungswert mit 2000 W angenommen. Aus 13 ist ersichtlich, dass die Obergrenz-Relaxationsrate zu einer die Operationszeit minimal überschreitende Zeit 4000 Stunden ist. Daher berechnet die Obergrenzstrom-Relaxationsraten-Berechnungseinheit 57 basierend auf der Speichereinheit 35 die Obergrenzstrom-Relaxationsrate zu 1,08. Die berechnete Rate wird zu der Obergrenzstromwert-Berechnungseinheit 36 weitergeleitet. Des weiteren ist der Laserausgangsleistungs-Sollbestimmungswert 2000 W; daher wird in der Obergrenzstromwert-Berechnungseinheit 36 der Obergrenzstromwert in Situationen, wo die Obergrenzstrom-Relaxationsrate nicht berücksichtigt wird, zu 52 A aus 6b berechnet. Dann wird in der Obergrenzstromwert-Berechnungseinheit 36 die Obergrenzstrom-Relaxationsrate von 1,08 mit dem Obergrenzstromwert von 52 A multipliziert, wobei der Obergrenzstromwert unter Berücksichtigung der zeitlichen Degradation der Pumpeinrichtung wie folgt gegeben ist: 52 A × 1,08 = 56,16 A
Als nächstes werden Situationen, in denen die lineare Approximation zwischen diskreten Werten die Obergrenzstrom-Relaxationsrate angibt, beschrieben durch Anwenden der gleichen Bedingung wie die vorangehende. Aus 13 ist ersichtlich, dass die Obergrenz-Relaxationsrate 1,04 für 2000 Stunden ist und 1,08 für 4000 Stunden ist. Daher berechnet die Obergrenzstrom-Relaxationsraten-Berechnungseinheit 57 basierend auf Daten in der Speichereinheit 35 die Obergrenzstrom-Relaxationsrate für 3000 Betriebsstunden wie unten gezeigt. 1,04 + (1,08 – 1,04)/(4000 – 2000) = 1,06
Die berechnete Relaxationsrate wird zu der Obergrenzstromwert-Berechnungseinheit 36 weitergeleitet. In der Obergrenzstromwert-Berechnungseinheit 36 wird der Obergrenzstromwert wie folgt berechnet durch Multiplizieren des Obergrenzstromwerts von 52 A, der aus Daten in der Speichereinheit 35 bestimmt wird, mit der Relaxationsrate von 1,06, die durch die Obergrenzstrom-Relaxationsraten-Berechnungseinheit 28 geliefert wird: 52 A × 1,06 = 55,12 A
Das vorangehende Beispiel verwendet diskrete Daten für die Relaxationsrate, die in der Speichereinheit 35 gespeichert sind; jedoch kann der Wert berechnet werden durch Repräsentieren einer Operationszeit der Pumpeinrichtung und einer Degradationsrate als eine Annäherungsgleichung. Wenn sich beispielsweise der Pumpbetrag der Pumpeinrichtung um 20% für eine Betriebsdauer bzw. Operationszeit von 10000 Stunden vermindert, dann wird die Obergrenzstrom-Relaxationsrate wie folgt angenähert: 1 + 0,2 × (Operationszeit/10000) Gleichung 5
Während die Obergrenzstrom-Relaxationsraten-Berechnungseinheit 57 diesen Vergleichsausdruck 5 speichert, berechnet die Obergrenzstrom-Relaxationsraten-Berechnungseinheit 57 eine Obergrenzstrom-Relaxationsrate von einer eingegebenen Betriebszeit der Pumpeinrichtung. Dann wird die berechnete Obergrenzstrom-Relaxationsrate zu der Obergrenzstromwert-Berechnungseinheit 36 weitergeleitet; der Obergrenzstromwert kann durch die gleiche Berechnung wie die vorangehende berechnet werden. Die Speichereinheit 35 kann den Vergleichsausdruck speichern. In der oberen Diskussion wurden Situationen beschrieben, in denen die Operationszeit bzw.
Betriebszeit den Grad der Degradation der Pumpeinrichtung beeinflusst. Wenn jedoch die Anzahl der Operationen der Pumpeinrichtung (die Anzahl der Ein- und Ausschaltvorgänge) den Grad der Degradation von dieser beeinflusst (die Anzahl der Ein- und Ausschaltvorgänge), dann kann die vorangehende Betriebszeit ersetzt werden durch die Anzahl der Operationen, und die Letztere kann als ein Degradationsindex verwendet werden.
Solch eine Konfiguration ermöglicht es, dass eine zeitliche Degradation der Pumpeinrichtung korrigiert wird, wodurch die Zuverlässigkeit verbessert wird.
Im Folgenden wird die sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In allen vorangehenden Ausführungsformen wird ein Stromwert so gesteuert, dass dieser unterhalb eines Obergrenzstromwertes ist. Wenn der Stromwert den Obergrenzstromwert erreicht, dann ist es vorzuziehen, eine Vorrichtung nicht sich selber zu überlassen, da es wahrscheinlich ist, dass bestimmte Anormalitäten auftreten. Die vorliegende sechste Ausführungsform umfasst Einrichtungen bzw. Mittel, die solche Anormalitäten detektieren.
14 zeigt ein Schemadiagramm einer internen Konfiguration der zweiten Vergleichseinrichtung 30 in einer Laseroszillatorvorrichtung gemäß der vorliegenden sechsten Ausführungsform; Konfigurationen anderer Komponenten sind die gleichen wie diese der vorangehenden Ausführungsformen. Gemäß 14 wird ein Obergrenzstromwert und ein Sollstromwert in eine Sollstromwert-Ermittlungseinheit 60 eingegeben. Wie für die erste Ausführungsform beschrieben, wird bei dieser, wenn sich der Sollstromwert unterhalb des Obergrenzstromwerts befindet, der Sollstromwert wie dieser ist zu einer ersten Vergleichseinrichtung 28 ausgegeben, die sich flussabwärts von der Ermittlungseinheit befindet. Wenn sich umgekehrt der Sollstromwert oberhalb des Obergrenzstromwerts befindet, dann wird der Obergrenzstromwert zu der ersten Vergleichseinrichtung 28 ausgegeben, die sich flussabwärts von der Ermittlungseinheit befindet. Wenn sich der Sollstromwert oberhalb des Obergrenzstromwerts befindet, dann wird der Obergrenzstromwert zu der ersten Vergleichseinrichtung 28 ausgegeben, die sich flussabwärts von der Ermittlungseinheit befindet. Zur gleichen Zeit wird ein Obergrenzen-Ausgabesignal weitergeleitet zu einem Obergrenzen-Ausgabezeitdetektierungstimer 61 weitergeleitet.
15 zeigt ein Flussdiagramm, das den Betrieb der zweiten Vergleichseinrichtung 30 darstellt. Basierend auf 15 wird der Betrieb der zweiten Vergleichseinrichtung 30 detaillierter beschrieben. Der Obergrenzen-Ausgabezeitdetektierungstimer 61 ermittelt, ob ein Obergrenzen-Ausgabesignal von der Befehlsstromwert-Ermittlungseinheit 16 ausgegeben wurde (Schritt S61). Wenn das Signal ausgegeben wurde, dann ermittelt der Obergrenzen-Ausgabezeitdetektierungstimer 61, ob eine verstrichene Zeit gemessen wurde (Schritt 62). Wenn die Zeit gemessen wurde, dann ermittelt der Obergrenzen-Ausgabezeitdetektierungstimer 61, ob die verstrichene Zeit eine vorbestimmte Zeit überschritten hat. Wenn die verstrichene Zeit eine vorbestimmte Zeit überschritten hat, dann liefert der Obergrenzen-Ausgabezeitdetektierungstimer 61 eine Ausgabe eines anormalen Signals zu der Steuereinheit 17. Bei Schritt S62, wenn der Obergrenzen-Ausgabezeitdetektierungstimer 61 bestimmt hat, dass die Zeitmessung nicht ausgeführt wurde, startet der Timer 61 eine Messung der verstrichenen Zeit (Schritt S65). Dann wird der Prozessfluss wiederholt, der bei Schritt S61 startet. Bei Schritt S61, wenn das Signal nicht geliefert wurde, ermittelt der Obergrenzen-Ausgabezeitdetektierungstimer 61, ob eine verstrichene Zeit gemessen wurde (Schritt S66). Der Obergrenzen-Ausgabezeitdetektierungstimer 61 beendet die Messung der verstrichenen Zeit (Schritt S67), wenn dieser eine Messung durchführt. Dann wird der Prozessfluss von Schritt S61 an erneut ausgeführt. Wenn bestimmt wird, dass die Zeit nicht gemessen wird, dann wird bei Schritt S66 der Prozessfluss von Schritt S61 erneut ausgeführt.
Durch diese Aktionen misst der Obergrenzen-Ausgabezeitdetektierungstimer 61 eine Zeit, in der das Obergrenzen-Ausgangssignal eingeschaltet ist; wenn eine feste Zeitperiode oder mehr verstreicht, während der das Signal eingeschaltet ist, dann stellt der Timer 61 ein anormales Signal der Steuereinheit 17 bereit. Die Steuereinheit 17, die das anormale Signal empfangen hat, kann beispielsweise einen Laserausgangsleistungs-Befehlswert auf 0 W reduzieren, wodurch die Laseroszillatorvorrichtung gesteuert wird, so dass die Oszillation gestoppt wird.
Als nächstes werden zeitliche Variationen eines Laserausgangsleistungswerts, eines Sollstromwerts und eines Obergrenzen-Ausgabesignals in einer Laseroszillatorvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf 16 beschrieben. 16a zeigt einen Graph, der zeitliche Variationen der Laserausgangsleistung und Dergleichen in einem normal funktionierenden Zustand darstellt; 16b zeigt einen Graph in einem anormalen Zustand. Wie in 16a gezeigt, wenn die Laseroszillatorvorrichtung normal arbeitet, wird die Laserausgangsleistung zur Startzeit beeinflusst durch die thermische Zeitkonstante einer Laseroszillatorvorrichtung, der Anstiegszeitkonstanten einer Leistungsüberwachungseinheit und Dergleichen, wodurch bewirkt wird, dass die Laseroszillatorvorrichtung so reagiert, dass die Anstiegsflanke der Laserausgangsleistung in Reaktion auf die Stromvariation verzögert ist. In einem Fall eines fixierten Laserausgangsleistungs-Steuerungsmodus, wenn die Laserausgangsleistung gestartet wird, steigt der Strom bis zu dem Obergrenzstromwert. Im Anschluss daran, wenn sich die Laserausgangsleistung einem gewünschten Wert nähert, vermindert sich der Sollstromwert progressiv und verbleibt bei einem bestimmten festen Wert. Zu einer Zeit, wenn sich der Sollstromwert unterhalb des Obergrenzstromwerts befindet, wird das Obergrenz-Ausgabesignal folglich nicht erzeugt. Bezugnehmend auf einen Graph der Laserausgangsleistung in 16a wird die Steigung des Graphs sanft, bevor die Laserausgangsleistung die gewünschte Ausgabe erreicht. Dies ist so, da zum Vermeiden, dass die Laserausgangsleistung den gewünschten Wert übersteigt, der Strom so gesteuert wird, dass dieser reduziert wird, wenn durch Berechnen einer Differenz zwischen einem Zielwert und dem aktuellen Wert sich die Ausgabe dem Zielwert annähert und die kleine Differenz zwischen diesen detektiert wird. Im Gegensatz dazu, wenn Anormalitäten bzw. Unregelmäßigkeiten in einer Komponente, so wie in einer optischen Komponente, auftreten, selbst wenn wie in 16b gezeigt ein Strom mit einem Obergrenzstromwert zugeführt wird, kann die gewünschte Laserausgangsleistung nicht erhalten werden. Als eine Folge davon verbleibt der Strom für lange Zeit bei dem Obergrenzstromwert. Folglich wird der Obergrenzstromwert weiterhin ausgegeben. Wenn eine Zeit, während der der Obergrenzstromwert weiterhin ausgegeben wird, oberhalb einer festen Zeitperiode ist, dann wird bestimmt, dass eine optische Komponente oder Dergleichen nicht normal ist, wobei das System eine Benachrichtigung zu einer externen Vorrichtung sendet. Die feste Zeitperiode kann bestimmt werden durch Berücksichtigen der thermalen Zeitkonstante des Lasersystems und der Anstiegszeitkonstante der Leistungsüberwachungseinrichtung, so dass die Zeit eine Zeit ist, die länger ist als beide Zeitkonstanten.
Solch eine Konfiguration ermöglicht es, dass das Vorhandensein und Nichtvorhandensein von Anormalitäten bzw. Auffälligkeiten von optischen Komponenten ermittelt wird durch ein Anormalitätssignal. Ferner kann die Tatsache, dass die Steuereinheit den Betrieb der Laseroszillatorvorrichtung durch das Anormalitätssignal stoppt, vermeiden, dass eine Komponente, so wie eine optische Komponente, beispielsweise beschädigt wird.
Im folgenden wird eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Gemäß der sechsten Ausführungsform wird die Dauer gemessen, bei der der Stromwert bei dem Obergrenzbefehlsstromwert verbleibt, um das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Anormalitäten bzw. Abweichungen zu ermitteln. In der vorliegenden siebten Ausführungsform wird eine Situation, in der die Laserausgangsleistung keinen gewünschten Wert nach einer festen Zeitperiode erreicht hat, als anormal bestimmt, und es wird eine Benachrichtigung zu der externen Vorrichtung gesendet.
Die 17 zeigt ein Diagramm einer internen Konfiguration einer Laserausgangsleistungs-Bestimmungseinheit 65 einer Laseroszillatorvorrichtung gemäß der vorliegenden siebten Ausführungsform, wobei die Bestimmungseinheit im Inneren oder außerhalb der Stromsteuereinheit 27 bereitgestellt ist. Die Konfigurationen der anderen Komponenten sind die gleichen wie diese der oben beschriebenen Ausführungsformen. Bezugnehmend auf 17 werden ein Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert und ein gemessener Laserausgangswert in die Laserausgangsleistungs-Bestimmungseinheit 65 eingegeben. Der Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert und der gemessene Laserausgangsleistungswert, die dort eingegeben wurden, werden verwendet zum Bestimmen, ob der gemessene Laserausgangsleistungswert einen Untergrenzwert erreicht, der mit dem Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert korrespondiert, unter Verwendung der Laserausgangsleistungs-Ermittlungseinheit 66 im Inneren der Laserausgangsleistungs-Bestimmungseinheit 65. Das Kühlwasser und eine Umgebungstemperatur beeinflussen die Laseroszillatorvorrichtung, so dass die Laserausgangsleistung in der Größenordnung von ±2–3% variiert. Unter Berücksichtigung dieser Variation wird der Untergrenzwert auf einen Wert bestimmt, der um 2–3% niedriger ist als der Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert – beispielsweise 1940 W, der um 3% niedriger ist als 2000 W. Die Laserausgangsleistungs-Ermittlungseinheit 66 gibt ein Signal aus, das angibt, dass die Laserausgangsleistung sich im Bereich befindet, wenn bestimmt wird, dass die Laserausgangsleistung den Untergrenzwert erreicht hat. Darüber hinaus erzeugt die Laserausgangsleistungs-Ermittlungseinheit 66 ein Ausgabesignal zum Starten eines Timers, wenn der Laserausgangsleistungssoll-Bestimmungswert variiert. Das Signal, das angibt, dass die Laserausgangsleistung sich im Bereich befindet, und das Timerstartsignal werden in einen Anormalitätsdetektierungstimer 67 eingegeben, der wiederum eine Zählung des Timers startet, während zur gleichen Zeit das Timerstartsignal eingegeben wird. Nachdem der Anormalitätsdetektierungstimer 67 eine Timerzählung gestartet hat, wenn das Signal, das angibt, dass die Laserausgangsleistung sich im Bereich befindet, eingegeben wird, nachdem eine feste Zeitperiode verstrichen ist, wird bestimmt, dass das System nicht fehlerhaft ist, wodurch die Timerzählung angehalten wird. Wenn andererseits das Signal, das angibt, dass sich die Laserausgangsleistung im Bereich befindet, nicht eingegeben wird, selbst nachdem eine feste Zeitperiode verstrichen ist, dann wird bestimmt, dass das System fehlerhaft ist; dann liefert der Anormalitätsdetektierungstimer 67 ein Ausgabesignal für den Fehler zu der Steuereinheit 17. Hier kann die feste Zeitperiode bestimmt werden unter Berücksichtigung der thermalen Zeitkonstante des Systems und der Anstiegszeitkonstante der Leistungsüberwachungseinrichtung, so dass diese eine Zeit ist, die länger ist als beide Zeitkonstanten.
Als nächstes werden zeitliche Variationen eines Laserausgangsleistungswerts, eines Sollstromwerts und eines Obergrenzausgabesignals in einer Laseroszillatorvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben mit Bezug auf 18. 18a zeigt einen Graph, der zeitliche Variationen einer Laserausgangsleistung und Dergleichen einer Laseroszillatorvorrichtung in einer normalen Situation darstellt; 18b ist ein Graph von dieser in einer anormalen Situation. Wenn, wie in 18a gezeigt, sich die Vorrichtung in einem normalen Zustand befindet, startet der Anormalitätsdetektierungstimer eine Timerzählung, wodurch bewirkt wird, dass ein Signal, das angibt, dass sich die Laserausgangsleistung im Bereich befindet, innerhalb einer festen Zeitperiode eingeschaltet wird. Wenn, wie in 18b gezeigt, sich die Vorrichtung in einem anormalen Zustand befindet, dann startet der Timer eine Timerzählung, die nicht bewirkt, dass ein Signal, das angibt, dass eine Laserausgangsleistung sich im Bereich befindet, eingeschaltet wird innerhalb einer festen Zeitperiode. In Situationen, in denen ein Laserausgangsleistung-Im-Bereich-Signal bzw. ein Signal, das angibt, dass sich die Laserausgangsleistung im Bereich befindet, nicht innerhalb der festen Zeitperiode eingeschaltet wird, als anormal bestimmt wird, wird ein anormales Signal zu einer externen Steuereinrichtung gesendet.
Diese Konfiguration ermöglicht es, dass das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Anormalitäten der optischen Komponente wie bei der sechsten Ausführungsform ermittelt wird. In der vorangehenden Beschreibung ist das System so konfiguriert, dass dieses ein Signal liefert, wenn die Laserausgangsleistung den Untergrenzwert erreicht; umgekehrt kann es auch so konfiguriert sein, dass dieses das Signal liefert, wenn die Laserausgangsleistung unterhalb des Untergrenzwertes ist. In dieser Situation, wenn die Timerzählung gestartet wird und das Signal innerhalb einer festen Zeitperiode nicht ausgeschaltet wird, kann die Vorrichtung als anormal bestimmt werden.
Eine Laseroszillatorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere auf Bearbeitungsoperationen anwendbar, in denen, wie in dem Fall, in dem eine optische Faser einen Laserstrahl überträgt, eine Modenvariation eines Laserstrahls, der von der Laseroszillatorvorrichtung emittiert wird, annähernd kein Problem darstellt, und auf Bearbeitungsoperationen, in denen eine größere Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Ausgangsleistung eines Laserstrahls variiert.

Claims

Laseroszillatorvorrichtung mit einer Einrichtung zum Messen einer Ausgangsleistung eines Laserstrahls, der von dieser emittiert wird, zum Vergleichen des gemessenen Ausgangsleistungswerts mit einem Laserausgangsleistungssollwert und zum Bestimmen eines Stromsollwerts, der einer Pumpeinrichtung für ein Lasermedium so zugeführt wird, dass eine Laserausgangsleistung entsprechend dem Laserausgangsleistungssollwert erzielbar ist, gekennzeichnet durch eine Stromsollwert-Bestimmungseinheit (31), die den Sollstromwert bestimmt gemäß der Differenz zwischen dem gemessenen Laserausgangsleistungswert und dem Laserausgangsleistungssollwert, eine Obergrenzstromwert-Bestimmungseinheit (32), die in Abhängigkeit des Laserausgangsleistungssollwerts einen Obergrenzstromwert bestimmt, und eine Strombegrenzungseinrichtung (30), die den Stromsollwert auf unterhalb des Obergrenzstromwerts begrenzt.
Laseroszillatorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Obergrenzstromwert-Bestimmungseinheit (32) eine Speichereinheit (35) enthält, die einen Ausdruck einer Beziehung zwischen einem Laserausgangsleistungssollwert und einem oberen Grenzstromwert speichert, und eine Einrichtung (36), die einen Obergrenzstromwert aus dem eingegebenen Laserausgangsleistungssollwert und dem in der Speichereinheit (35) gespeicherten relationalen Ausdruck berechnet.
Laseroszillatorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Obergrenzstromwert-Bestimmungseinheit (32) eine Speichereinheit (35) enthält, die eine relationale Tabelle speichert, die die Beziehung zwischen einem Laserausgangsleistungssollwert und einem Obergrenzstromwert enthält, und eine Einrichtung (36), die einen Obergrenzstromwert aus dem eingegebenen Laserausgangsleistungssollwert und der in der Speichereinheit (35) gespeicherten relationalen Tabelle auswählt oder berechnet.
Laseroszillatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungseinrichtung (30) eine Einrichtung (61) enthält, die eine Zeitdauer misst, während ein Obergrenzstromwert als der Referenzstromwert dient, durch Vergleichen des Befehlsstromwerts mit dem Obergrenzstromwert, und eine Einrichtung (61), die ein Warnsignal erzeugt, wenn die Zeitdauer länger als eine vorbestimmte Zeit ist.
Laseroszillatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungseinrichtung (30) eine Einrichtung (56) enthält, die die Zeitdauer misst, während der ein Strom der Pumpeinrichtung zugeführt wird, und eine Einrichtung (36), die bewirkt, dass bei steigender Zeitdauer der Obergrenzstromwert erhöht wird.
Laseroszillatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungseinrichtung (30) eine Schalteinrichtung (40) umfasst, die zwischen einem einzugebenden Stromsollwert und einem Stromsollwert schaltet, der mit der Stromsollwert-Bestimmungseinheit (31) bestimmt wird, um dadurch einen der beiden Stromsollwerte der Strombegrenzungseinrichtung (30) zuzuführen.
Laseroszillatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungseinrichtung (30) eine Einrichtung (66) enthält, die eine Zeitdauer misst, während der ein Laserausgangsleistungswert nicht einen vorbestimmten Wert erreicht, und eine Einrichtung (67), die ein Warnsignal erzeugt, wenn die Zeitdauer eine vorbestimmte Zeit überschreitet.
Energieversorgungsvorrichtung (10) für die Verwendung in einer Laseroszillatorvorrichtung, wobei die Energieversorgungsvorrichtung eingerichtet ist, um einen Laserausgangsleistungssollwert mit einem gemessenen Ausgangsleistungswert eines Laserstrahls zu vergleichen, der von der Laseroszillatorvorrichtung emittiert wird, und eine Stromsteuerungseinrichtung (27) aufweist derart, dass diese einer Laserpumpeinrichtung einen Stromsollwert zuführt, so dass eine Laserausgangsleistung entsprechend dem Laserausgangsleistungssollwert erzielt wird, gekennzeichnet durch eine Obergrenzstromwert-Bestimmungseinheit (32), die eingerichtet ist, um in Abhängigkeit des Laserausgangsleistungssollwerts einen Obergrenzstromwert zu bestimmen, und eine Strombegrenzungseinrichtung (30), die eingerichtet ist, um den Stromsollwert auf unterhalb des Obergrenzstromwerts zu begrenzen.
Verfahren zum Steuern einer Laseroszillatorvorrichtung, die einen Laserstrahl emittiert, durch Zuführen eines Stroms zu einer Lasermediumpumpeinrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Messen einer Ausgangsleistung eines Laserstrahls, der von der Laseroszillatorvorrichtung emittiert wird, Vergleichen eines Laserausgangsleistungssollwerts mit einem gemessenen Ausgangsleistungswert des Laserstrahls, der von der Laseroszillatorvorrichtung emittiert wird, um eine Steuerung eines einer Laserpumpeinrichtung zugeführten Stromwerts so bereitzustellen, dass eine Laserausgangsleistung entsprechend dem Laserausgangsleistungssollwert erzielt wird, enthaltend die Schritte: Bestimmen eines Obergrenzstromwerts in Abhängigkeit des Laserausgangsleistungssollwerts, und Begrenzen des Stromsollwerts auf unterhalb des bestimmten Obergrenzstromwerts.
Verfahren zum Steuern einer Laseroszillatorvorrichtung nach Anspruch 9, ferner umfassend den Schritt des Bestimmens eines Stromsollwerts, der der Pumpeinrichtung zugeführt wird, gemäß einer Differenz zwischen dem Laserausgangsleistungssollwert und dem gemessenen Laserausgangsleistungswert, wobei der Stromsollwert und der Obergrenzstromwert verglichen werden und eine Steuerung eines der Pumpeinrichtung zugeführten Stroms basierend auf dem kleineren der beiden Stromwerte erfolgt.