JP2002299736A

JP2002299736A - レーザ発振方法

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Publication number: JP2002299736A
Application number: JP2001100500A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Koseki; 良治小関; Seiji Mimashi; 精二御座
Original assignee: Shibuya Kogyo Co Ltd
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2002-10-11
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP4543272B2

Abstract

(57)【要約】【解決手段】レーザ媒質をパルス励起してレーザ光線
を発振するレーザ発振器と、上記レーザ光線のエネルギ
ー値を測定する測定手段とを備え、この測定手段から得
られた測定値に基づいてトータルエネルギー値が目標エ
ネルギー値に近づくように励起時間を制御するものであ
る。上記レーザ発振方法では、１回のパルス励起中に、
測定手段により複数回測定し得られた測定値を加算する
とともに、その加算した値から当該パルス励起により発
振されるレーザ光線の見込みトータルエネルギー値を予
測し、その求めた予測に基づいて実際のトータルエネル
ギー値が予め設定された目標エネルギー値となるように
励起時間を制御するものである。【効果】従来のレーザ発振方法に比較して目標エネル
ギー値に近いトータルエネルギー値を得ることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ発振方法に関
し、より詳しくはレーザ光線をパルス発振させるレーザ
発振方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来一般に、ＣＯ_２レーザ発振器におい
て、共振器内のレーザ媒質としてのＣＯ_２ガスをパルス
放電励起してレーザ光線をパルス発振させることは行な
われている。また、レーザ発振器にＱスイッチ装置を設
けてＱスイッチパルス発振させることも行なわれてい
る。このＱスイッチ装置としては、スリットを有するチ
ョッパーディスクによる方式、電気光学素子を用いる方
式、超音波変調器を組み込む方式等がある。ところで、
プリント基板等にビアホール加工を行なう場合などに
は、高ピーク、短パルス発振が可能で、ビアホール形状
をシャープにし、炭化を防止することができるチョッパ
ーディスクを用いる方式が好適である。このようなビア
ホール加工においては、照射されるレーザ光線の有する
エネルギー値がビアホールの形状に関ってくるため、そ
のエネルギー値の制御が非常に重要となっている。この
ため、チョッパーディスクを用いるＱスイッチ装置で
は、パルス放電励起の開始または終了をチョッパーディ
スクのスリットの通過タイミングと同期させ、また放電
励起時間幅によってＱスイッチパルス発振されるレーザ
光線のエネルギー値を制御する方法が提案されていた
（特開平７−３０１７９号公報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した従
来例では、直前のパルス放電励起の時間幅が異なると、
Ｑスイッチパルス発振後に共振器内に残留する内部ゲイ
ンも異なり、その内部ゲインが消滅しないうちに再びパ
ルス放電励起されることから、励起時間幅を正確に制御
しても発振されるレーザ光線のエネルギー値を正確に制
御することは難しかった。また、共振器内のガスの温度
や圧力、流量等が常に変動しており設定した励起時間幅
に対するエネルギー値がばらつくという問題もあった。
そこで、本発明は、直前のパルス励起の時間幅やレーザ
媒質の状態に関係なく、簡単な構成で正確に当該パルス
励起により発振されるレーザ光線のトータルエネルギー
値を制御することができるレーザ発振方法を提供するも
のである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１の発
明では、共振器内のレーザ媒質をパルス励起してレーザ
光線を発振するレーザ発振器と、上記レーザ光線のエネ
ルギー値を測定する測定手段とを備え、この測定手段か
ら得られた測定値に基づいてレーザ光線の有するエネル
ギー値を制御してレーザ発振するレーザ発振方法におい
て、１回のパルス励起中に、上記測定手段により複数回
測定し得られた測定値を加算するとともに、その加算し
た値から当該パルス励起により発振されるレーザ光線の
見込みトータルエネルギー値を予測し、その求めた予測
に基づいて実際のトータルエネルギー値が予め設定され
た目標エネルギー値となるように励起時間を制御するも
のである。

【０００５】上述した発明によれば、１回のパルス励起
において、その励起中に複数回測定した測定値を加算し
た値から予測される見込みトータルエネルギー値が目標
エネルギー値より大きい場合には、励起時間を短くし、
また予測される見込みトータルエネルギー値が目標エネ
ルギー値より小さい場合には、励起時間を長くして、実
際に得られるトータルエネルギー値を正確に制御するこ
とができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下図示実施例について説明する
と、図１において、１はレーザ光線Ｌを発振させるＣＯ
_２レーザ発振器であり、レーザチューブ２内にレーザ媒
質としてＣＯ _２ガスを循環させている。このレーザ発振
器１は、レーザチューブ２の左方に設けられ、該レーザ
チューブ２内で放電励起（以下励起）されて発振された
レーザ光線Ｌを反射する反射鏡３と、レーザチューブ２
の右方に設けられ、該レーザチューブ２内で励起された
レーザ光線Ｌを部分反射するとともにそのレーザ光線Ｌ
を通過させる出力鏡４と、上記反射鏡３と出力鏡４との
間に配置され、出力鏡４から所定の発振周期および発振
時間で断続的にレーザ光線ＬをＱスイッチパルス発振す
るＱスイッチ装置５とを備えており、本レーザ発振器１
では、上記反射鏡３と出力鏡４とで共振器が構成されて
いる。上記Ｑスイッチ装置５は、レーザチューブ２と反
射鏡３との間に配置され、該反射鏡３の手前でレーザ光
線Ｌを集光させるテレスコープレンズ７と、図示しない
フレーム上に取付け固定される駆動手段としてのスピン
ドルモータ８と、このスピンドルモータ８の回転軸９に
一体に取付けられ、レーザ光線Ｌの焦点位置近傍に挿入
される円板状のチョッパーディスク１１とを備えてお
り、このチョッパーディスク１１の回転中心を中心とす
る円周上の等間隔位置にレーザ光線Ｌ上を横切った際に
該レーザ光線Ｌを通過させる複数の貫通部（図示せず）
を形成している。また上記反射鏡３の左方には、該反射
鏡３を通過した僅かなレーザ光線Ｌ´を検出する測定手
段としてのパワーモニタ１４が設けられ、このパワーモ
ニタ１４から測定値が後に詳述する制御装置１３に入力
されることによって、出力鏡４から発振されるレーザ光
線Ｌのエネルギー値を測定するようになっている。

【０００７】上記制御装置１３には、被加工物の品種毎
に異なる目標発振周期が設定されるとともに、この目標
発振周期を得られるように予めスピンドルモータ８に対
する回転速度を記憶させてあり、該制御装置１３は、こ
の回転速度に従ってスピンドルモータ８を制御してい
る。また、この制御装置１３には、被加工物の品種毎に
異なる目標エネルギー値が設定されるとともに、この目
標エネルギー値を得られるように予めレーザチューブ２
内のレーザガスに対する放電電流、放電電圧、励起時
間、ガス圧の基礎データを記憶させてある。そして、従
来の制御装置１３では、上述した基礎データに従ってレ
ーザ発振器１を制御していた。

【０００８】しかして本実施例では、制御装置１３によ
りレーザ光線Ｌのエネルギー値に応じて目標エネルギー
値に対するズレが小さくなるように励起時間を制御する
ものである。このため、制御装置１３は、励起開始と同
時にパワーモニタ１４から入力される測定値を監視し、
Ｑスイッチ装置５によってパルス発振されるレーザ光線
Ｌのエネルギー値を加算した初期エネルギー値から見込
まれる見込みトータルエネルギー値を予測するととも
に、その予測結果に基づいて放電電流、放電電圧、ガス
圧を除く励起時間を増減させて目標エネルギー値に近く
なるように、予測制御を行なうものである。そして、制
御装置１３は、上記予測制御により実際に得られたトー
タルエネルギー値と目標エネルギー値を比較し、その結
果に基づいて次回の励起時間を補正するフィードバック
制御も同時に行なっている。

【０００９】上述した予測制御ならびにフィードバック
制御の処理について、図２のフローチャートに基づいて
具体的に説明する。先ず、オペレータが加工する対象と
なる被加工物を選択すると、制御装置１３は、その選択
された被加工物について記憶部から該当する基礎データ
を抽出するとともに、その抽出した基礎データに基づい
てレーザ発振器１とＱスイッチ装置５の初期設定を行な
う。そして、初期設定が終了したら予測制御に移行し、
先ずトリガ信号検出処理においてトリガ信号が入力され
るか否かを判断する。このトリガ信号検出処理の最中に
トリガ信号が入力されると、そのことを検出した制御装
置１３は、パワーモニタ１４に対してリセット信号を出
力してその値を零に修正するリセット処理を行なう。上
記リセット処理を終えた制御装置１３は、次に励起処理
に移行し、ここでレーザ発振器１に対して基礎データに
基づいた放電電圧、放電電流、励起時間の指令を出力し
てビアホール加工を開始する。

【００１０】ここでは制御装置１３は、基礎データに基
づいてレーザ発振器１のレーザチューブ２内の放電電
流、放電電圧、ガス圧を制御する一方で、励起開始とと
もにＱスイッチ装置５によりパルス発振されるレーザ光
線Ｌのエネルギー出力についてパワーモニタ１４から入
力される測定値の加算処理を開始する。この加算処理
は、１回のパルス励起中に複数回パルス発振されるレー
ザ光線Ｌの全エネルギー出力を加算してトータルエネル
ギー値を求める一方、各回数毎に個別にエネルギー値を
記憶するようになっている。なおこの加算処理は、後の
トータルエネルギー値読み取り処理によって読み取られ
るまで他の処理と平行して行なわれる。また制御装置１
３は、上記加算処理が１回進行するたびに入力回数をカ
ウントするパルス数カウント処理を行なっており、この
パルス数カウント処理では、カウント数が５回未満の場
合には再び加算処理へと戻るが、カウント数が５回に達
したら次の初期エネルギー値演算処理に移行する。この
初期エネルギー値演算処理では、上記加算処理において
記憶された２回目から５回目までの測定値を抽出し、そ
れを加算して初期エネルギー値を求めており、初期エネ
ルギー値が求まったらそれを記憶して次の励起時間補正
演算処理に移行する。

【００１１】この励起時間補正演算処理では、下記に示
す計算式により励起時間Ｘを決定し、目的の目標エネル
ギー値を得る。先ず、データ取りのために励起時間を２
００〜６００μＳｅｃの間で１００μＳｅｃ毎として各
励起時間におけるトータルエネルギー値を測定し、図３
のようなグラフを作成した。そして、この結果から励起
時間Ｘとトータルエネルギー値Ｙの関係式は、Ｙ＝０．３１Ｘ＋１８．５６ … （１−１）となる。上記近似式（１−１）より、目安として設定し
た３００μＳｅｃまでのトータルエネルギー値は１１
１．５６ｍＪとなる。この値を標準値とし、例えば、実
際に得られた２〜５回目の測定値を加算した初期エネル
ギー値が１００ｍＪだったとした場合に、この実際の初
期エネルギー値より予測されるトータルエネルギー値を
求める。ここでは、過去の実験結果より、ガス圧力が一
定の条件において、放電電流を変えた場合の近似式は、
傾きはほぼ一定であり、平行にシフトする結果が得られ
ている。したがって、近似式をＹ＝ａＸ＋ｂとすると、
ａは一定となり、ｂが変化する。これにより、ａを一定
として、ｂを求めると、ｂ＝１００−（０．３１×３００μＳｅｃ）＝７したがって、近似式は、Ｙ＝０．３１Ｘ＋７ … （１−２）となる。これにより、例えば目標エネルギー値が１５０
ｍＪの場合には、上記近似式（１−２）より１５０ｍＪ
時の励起終了時間を求めると、Ｘ＝（１５０−７）／０．３１＝４６１となる。したがって、励起時間は４６１μＳｅｃである
ことが求まる。このように励起時間が求まったら、次の
励起時間再設定処理に移行し、それまで暫定的に設定し
ていた３００μＳｅｃに変えて４６１μＳｅｃを励起時
間として再設定する。

【００１２】ところで、図３の実験は以下の条件で行な
ったものである。本実施例では、図４に示すようにＱス
イッチ装置５のパルス幅を５μＳｅｃとし、また発振周
期を５０μＳｅｃ（２０ｋＨｚ）に設定するとともに、
Ｑスイッチ装置５のスリットが通過するタイミング（発
振周期）に対してレーザ発振器１の励起タイミングを非
同期とした条件で行なったものである。このようにレー
ザ発振器１の励起タイミングを非同期とすることによ
り、加工機側から送信されるトリガ信号の検出とほとん
ど同時に励起を開始させることができるので、レーザ発
振器の励起タイミングをＱスイッチ装置５のスリットの
通過タイミングと同期させたときのようにトリガ信号検
出から励起開始タイミングまでの無駄な時間がない。ま
た、励起終了後に共振器内に残留する内部ゲインでさら
に発振を継続することにより残留内部ゲインの有効利用
が可能で効率がよいものである。このことは、図４の実
験結果から明らかであり、本実験では、１５０ｍＪのト
ータルエネルギー値を得るのに要する時間がトリガ信号
検出から僅か８００μＳｅｃであった。

【００１３】そして制御装置１３は、励起終了処理にお
いて、励起開始からの通算時間が上記４６１μＳｅｃに
達しているか否か繰り返し判断し、通算時間が励起時間
４６１μＳｅｃに達した時点でレーザ発振器１に対して
指令を出力して励起を終了する。ここまでの処理が予測
制御であり、そして予測制御に基づいて励起を終了した
後もレーザチューブ２に残留する内部ゲインによりパル
ス発振が継続して行なわれるが、このパルス発振が終了
する時点では略目標値の１５０ｍＪ前後に落ち着くよう
になる（図４参照）。

【００１４】そして、以上の励起終了処理を終えた制御
装置１３は、予測制御に引き続いて次回のビアホール加
工に備えてフィードバック制御に移行する。このフィー
ドバック制御では、先ずトータルエネルギー値読み取り
処理を行なうものであり、このタイミングで励起開始か
らパルス発振終了まで引き続き行なっている加算処理か
ら今回の予測制御により実際に出力されたトータルエネ
ルギー値を読み取る。上記フィードバック制御を行なう
タイミングとしては、励起終了処理の終了時からの時間
を目安としてもよいし、また前回のパルス発振から５０
μＳｅｃ以上経過してもパルス発振がなかったことを目
安とすればよい。そして、このトータルエネルギー値読
み取り処理においてトータルエネルギー値を読み取った
制御装置１３は、次の励起時間補正処理において、トー
タルエネルギー値と目標エネルギー値１５０ｍＪを比較
し、トータルエネルギー値が目標エネルギー値１５０ｍ
Ｊを上回っている場合には、エネルギー値の差に比例し
た分だけ励起時間を増減させる。例えば、今回のトータ
ルエネルギー値が１５３ｍＪであった場合には、今回の
励起時間４６１μＳｅｃから３ｍＪに相当する２７μＳ
ｅｃだけ減算して次回の励起時間が４５２μＳｅｃであ
ることを求める。そして、制御装置１３は次の励起時間
設定書換え処理において、励起時間を３００μＳｅｃか
ら４５２μＳｅｃに変更するものであり、次回のビアホ
ール加工では４５２μＳｅｃを基準としてビアホール加
工を行なうとともに、万一、何らかの原因により予測制
御が間に合わなかったときには４５２μＳｅｃに従って
制御するものである。この励起時間書換え処理が終了し
た時点でフィードバック制御、つまり初回のパルス励起
によるビアホール加工は終了となり、制御装置１３は、
再びトリガ判定処理に戻って新たなビアホール加工に備
えるようになっている。

【００１５】以上の説明より理解されるように、本実施
例では、レーザ光線Ｌのエネルギー出力が変動しても、
予測制御によるレーザ発振によって目標エネルギー値に
近いトータルエネルギー値を得ることができる。また、
制御装置１３の予測制御によってＱスイッチ装置５の発
振周期とレーザ発振器１のパルス励起の同期を考慮する
必要なしに発振周期の高速化ならびにパルス励起時間の
短縮を図ることができるので、従来に比較してビアホー
ル加工に要する時間自体も短縮することができるし、同
期信号発生器や遅延回路発生器を省略できるので構成を
簡略化することができる。

【００１６】なお上記実施例では、気体レーザ発振器に
適用したものであるがこれに限定されるものではなく、
固体レーザ発振装置であってもよい。

【００１７】また上記実施例では、チョッパーディスク
１１を備えたＱスイッチ装置５であるがこれに限定され
るものではなく、電気光学素子や回転ミラーを備えたＱ
スイッチ装置であってもよい。

【００１８】さらに上記実施例では、Ｑスイッチ装置５
を備えたレーザ発振器１に本発明を適用していたがこれ
に限定されるものではなく、単にパルス励起してパルス
発振させるレーザ発振器に適用してもよい。

【００１９】またさらに上記実施例では、初期エネルギ
ー値を求めるために２回目から５回目までの測定値を加
算していたがこれに限定されるものではなく、なるべく
パルス励起の初期の段階で測定するようにすればよい。
なお１回目のパルス発振は、Ｑスイッチ装置５のスリッ
ト通過に対する励起開始のズレにより若干変動するが、
その変動はごく僅かなので１回目の測定値を加算するこ
とに関して問題はない。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、予測制御によるレーザ
発振により従来のレーザ発振方法に比較して目標エネル
ギー値に近いトータルエネルギー値を得ることができる
し、また非同期制御とすることにより従来に比較して加
工時間を短縮することができるとともにレーザ発振器自
体の構成を簡略化することができるという効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すレーザ発振器１の配
置図。

【図２】制御装置１３の予測制御ならびにフィードバッ
ク制御を示すフローチャート。

【図３】放電電圧、放電電流、ガス圧力を固定し、励起
時間を変化させた場合のエネルギー出力の特性を測定し
た実験結果を示すグラフ。

【図４】本発明の実施例の予測制御で得られたレーザ光
線のエネルギー出力およびこれに係る各種信号の時間挙
動を測定したグラフ。

【符号の説明】

１…レーザ発振器２…レーザチューブ１３…制御装置１４…パワーモニタＬ…レーザ光線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F072 AA05 HH02 JJ20 KK18 MM06 SS06 YY06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共振器内のレーザ媒質をパルス励起して
レーザ光線を発振するレーザ発振器と、上記レーザ光線
のエネルギー値を測定する測定手段とを備え、この測定
手段から得られた測定値に基づいてレーザ光線の有する
エネルギー値を制御してレーザ発振するレーザ発振方法
において、１回のパルス励起中に、上記測定手段により複数回測定
し得られた測定値を加算するとともに、その加算した値
から当該パルス励起により発振されるレーザ光線の見込
みトータルエネルギー値を予測し、その求めた予測に基
づいて実際のトータルエネルギー値が予め設定された目
標エネルギー値となるように励起時間を制御することを
特徴とするレーザ発振方法。
【請求項２】上記測定手段により１回のパルス励起で
得られた実際のトータルエネルギー値をもとに次回の励
起時間を設定することを特徴とする請求項１に記載のレ
ーザ発振方法。
【請求項３】上記共振器内にＱスイッチ装置を配置し
てパルス発振させ、各パルスレーザ光線の有するエネル
ギー値を測定して加算することを特徴とする請求項１又
は請求項２に記載のレーザ発振方法。
【請求項４】上記Ｑスイッチ装置は、レーザ媒質の励
起とは非同期であることを特徴とする請求項３に記載の
レーザ発振方法。