JP2004363378A - 固体レーザ発振器の出力安定方法と装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】フィードバック制御の利点を生かして出力を精度よく安定させられるようにする。
【解決手段】励起電流Ｉを出力Ｐとの関係式Ｆに基づき制御して固体レーザ１からの出力Ｐを制御しながら加工を行なうのに、加工時の繰り返しショット出力Ｐにおける所定回数目ごとのショット出力波形を計測してエネルギ変換し、変換されたエネルギが所定のエネルギになる拡大、縮小係数に基づき、次の所定回数目までのショット出力時の励起電流Ｉを制御することにより、上記の目的を達成する。
【選択図】 図１
【解決手段】励起電流Ｉを出力Ｐとの関係式Ｆに基づき制御して固体レーザ１からの出力Ｐを制御しながら加工を行なうのに、加工時の繰り返しショット出力Ｐにおける所定回数目ごとのショット出力波形を計測してエネルギ変換し、変換されたエネルギが所定のエネルギになる拡大、縮小係数に基づき、次の所定回数目までのショット出力時の励起電流Ｉを制御することにより、上記の目的を達成する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体レーザ発振器の出力安定方法と装置に関し、例えばパルスＹＡＧレーザ等の固体レーザ発振器の出力安定に好適な固体レーザ発振器の出力安定方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パルスＹＡＧレーザはショット出力開始初期にＹＡＧレーザが吸収する励起光源からのエネルギにより発熱して歪む、いわゆる熱レンズ効果によって出力が変動する。またＹＡＧレーザの前後に共振ミラーを配置して構成する固体レーザ発振器では周囲温度の変動による共振ミラーの平行度ずれにても出力が変動する。このため、熱レンズ効果の削減や、ベース温度調節によるミラー平行度ずれの削減がパワーフィードバック制御（例えば、特許文献１参照。）やフィードフォーワード制御（例えば、特許文献２参照。）によって図られている。
【０００３】
特許文献１に記載のパワーフィードバック制御は、図８に示すように固体レーザ発振器ａからの出力レーザビームｌｂの一部をハーフミラーｂによって取り出し、これをパワーモニタｃに入力して光電流・電圧変換回路ｄにて光電変換する。光電変換した電気出力はＡ／Ｄ変換器ｅや光強度測定部ｆを経てレーザ電源回路ｇにリアルタイムでフィードバックしている。レーザ電源回路ｇはフィードバックされる光強度に応じてその時々の出力が目標光強度になるように励起電流を増減する。このようなフィードバック制御により固体レーザ発振器ａから繰り返しショット出力されるレーザビームｌｂをワークｈに導き所定の加工を行う。
【０００４】
特許文献２に記載のフィードフォーワード制御は、図示しない固体レーザ発振器を出力が安定する定常状態でアライメントしておき、加工時において熱レンズ効果がまだ発生しないか、効果がまだ小さく出力が不足するのを補償するために、初期出力時の出力が定常時よりも不足する範囲でその不足する割合に応じて、励起電流を図９（ａ）で示すように定常時よりも大きく設定している。これにより、図９（ｂ）に示すように固体レーザ発振器からの各回のショット出力は、初期出力時から定常状態になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようなリアルタイムフィードバック制御では、次のような問題がある。
【０００６】
▲１▼アルミニウムのような高反射物かつ低融点かつ高熱伝導金属は、シーム溶接する際、ＹＡＧレーザの基本波長１６４ｎｍに対して９３％もの反射がある。このため、図７に示すような高速立上がりを含む３段波形制御を行い、最初に１００μ秒以下の時間Ｔ１で４ＫＷを超える高いピークパワーＰ１で切り込んでキーホールを形成するようにしている。一度キーホールができると急激にパワーをＰ２、Ｐ３などと落として出力波形を低くなだらかにすることにより表面状態がよく安定した溶接ができるようにしている。ところが、ＹＡＧレーザで１００μｍ以下で４ＫＷの出力を得ようとすると、数ＫＡ／ｍｓもの高速大電流スイッチング素子が必要である。特に、リアルタイムパワーフィードバックを実行しようとすると、その数倍の立ち上がり速度が必要となってこれを可能にするスイッチング素子は今のところなく実現性に乏しい。
【０００７】
▲２▼高速立上がりとの妥協を図り、溶接品質を落として立ち上がり可能な速度範囲でリアルタイムパワーフィードバックを行うと、アルミニウムのような高反射率材料はレーザトーチを傾けて正面反射戻り光が到達しないようにしても、動作中の戻り光による時間遅れなパワーフィードバックでハンチングを起こし、溶接が不安定になるのを回避できない。
【０００８】
▲３▼パワーフィードバック制御をしないと励起ランプのパワーが次第に低下していくが、固体レーザ発振器には発振閾値があるために閾値電流量ないしは閾値電圧値を超えないとレーザー発振を行うことができない。言い換えると、低電流量域で励起電流Ｉに対する固体レーザ発振器の出力Ｐの関係に図６に示すような不感帯Ａがあるため、パワーＰが２０％ダウンしたからといって励起電流Ｉを２０％アップしても定常時のパワーＰは得られない。また、定常時のパワーＰを得るために励起電流Ｉを双方の関係式から外れて手動で設定しても単に電流拡大、縮小係数を変えるだけでは目標波形が一定せず変化するので、溶接状態が変化する。よって、現実にはこのような事態になるとランプ寿命とみなさざるを得ず、２４時間生産の場合毎週ランプ交換するなど短期のランプ交換が必要となり極めて多くのランニングコストと手間が掛かっている。
【０００９】
一方、パワーフィードフォーワード制御では、フィードバック制御ではないので、周囲環境や使用条件などの事後変化により、目論見通りの補正が困難である場合が多くなる。また事前に登録する補正値の設定にも考え方に法則性がなく思考錯誤してかなり手間が掛かっている。なによりも致命的なのは動作間隔が変化すると熱レンズ効果の比率が変化するが、これに対応できず逆の補正をしてしまうような問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、フィードバック制御の利点を生かして出力を精度よく安定させられる固体レーザ発振器の出力安定方法と装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体レーザ発振器の出力安定方法は、加工時の繰り返しショット出力につき、所定の出力回数分ずつの平均出力波形を求めることを繰り返し、１回の平均波形を求めた都度、求めた平均波形が目標波形となる拡大、縮小係数を基に、次の平均波形を求めるまでの間の繰り返しショット出力時の励起電流を制御することを１つの特徴としている。
【００１２】
このような構成では、励起電流を出力との関係式に基づき制御して固体レーザからの出力にて加工を行うのに、加工時の繰り返しショット出力につき所定の出力回数分ずつの平均出力波形を求める。これはその所定出力回数分に応じた時間単位での励起電流に対する出力波形の平均的な実績評価となり、次の実績評価時点までの間に繰り返す各ショット出力について、前記評価した平均波形が目標波形となる拡大、縮小係数に基づき励起電流を制御するので、出力を精度よく安定させられる。特に、ランプの劣化など経時的に徐々に進行するような変化に対応するのに好適である。しかも、この制御はフィードバック制御となるが前記所定出力回数分の時間単位の余裕を持って行なえるので制御遅れによるハンチングはもとより、目標出力からほぼ外れることはなく前記出力の安定は損なわれない。
【００１３】
このような方法を達成する固体レーザの出力安定装置としては、 予め計測し登録した固体レーザの励起電流と出力との関係式と目標波形に基づき、前記励起電流を制御して固体レーザからの所定の出力にて加工を繰り返す固体レーザ発振器の出力安定装置であって、
加工時の固体レーザからの繰り返しショット出力を計測する計測手段と、この計測手段によって所定回数のショット出力が計測される都度その平均波形を求める出力算出手段と、この出力算出手段によって平均波形が求められる都度、次の平均波形が算出されるまでの間の繰り返しショット出力時に、前記求められた平均波形が目標波形となる拡大、縮小係数を基に前記励起電流を制御する制御手段とを備えたことを１つの特徴とするものでよい。
【００１４】
このような構成では、上記のような方法を予め登録した励起電流と固体レーザの出力との関係式に基づき自動的に高速度で正確に達成することができる。
【００１５】
登録は、加工時の生産タクト周期での所定回数のショット出力についての平均値から求めた関係式につき行なう、さらなる構成では、
予め計測して登録する励起電流と固体レーザの出力との関係式が、実際の加工時の生産タクト周期でショット出力を繰り返すときの熱レンズ効果などにより加工時に生じる出力変化に対応したものとなるので、出力の安定化の精度をより高められる。
【００１６】
また、ランプ交換時に、再度計測して得た関係式を登録して用いる、さらなる構成では、
ランプ交換を行うと、先のランプの劣化に対応して行なわれた条件変更や、ランプ特性が必ずしも一定していないことに対応して、出力の精度よい安定化が図れる。
【００１７】
本発明の電流型固体レーザ発振器の出力安定方法は、また、加工時の繰り返しショット出力における所定回数目ごとのショット出力波形を計測してエネルギ変換し、変換されたエネルギが所定のエネルギになる拡大、縮小係数を基に、次の所定回数目までのショット出力時の励起電流を制御することを別の特徴としている。
【００１８】
このような構成では、励起電流に対する固体レーザ発振器の出力の関係を、加工時に繰り返えされるショット出力単位のエネルギによって計測して、これが目標エネルギになる拡大、縮小係数に基づき次のショット出力に対する励起電流を制御をするので、設定した波形を特に変化させることなくエネルギに過不足がないように出力を安定させられる。また、この制御は前のショット出力について行った計測を次のショット出力の電流制御に生かすショット出力単位のリアルタイムフィードバック制御となるので、もし加工時の生産タクトが変化することにより固定レーザ発振器の熱レンズ効果やミラー平行度に変動が生じてもこれの影響に対しリアルタイムに対応して出力を精度よく安定させられる。しかも、このリアルタイムフィードバック制御はショット出力が行われる加工時の生産タクト周期分だけの余裕を持って行えるので、従来のショット出力中の刻々と変化する出力をリアルタイムにフィードバック制御する場合のような制御遅れによるハンチングが生じることはなく、出力を高精度に安定させられる。また、加工に必要なショット出力の目標エネルギの設定があれば、初回のショット出力が目標エネルギを満足するような関係になくても、言い換えるとそのような関係を予め計測して設定しておくような手間を省略しても、初回のショット出力にて計測した関係から次のショット出力が目標エネルギになる励起電流と出力との適正な関係を得て設定通りの出力にて加工ができるようにするので、加工が不良となる確立の高い初回のショット出力だけをダミーとする簡単な対応にて短時間に立ち上げることができる。なお、ショット出力が一旦適正となった後これが崩れる変動周期がショット出力の出力周期よりも長い場合は、変動周期内の最大出力回数に対応するショット出力毎の計測に基づき、その間の各ショット出力のフィードバック制御を行うようにしても同様な出力の安定が得られる。
【００１９】
このような方法を達成する装置としては、励起電流を出力との関係式に基づき制御して固体レーザからの所定の出力にて加工を繰り返す固体レーザ発振器の出力安定装置であって、加工時の固体レーザからの繰り返しショット出力における所定回数目ごとの出力波形を計測する計測手段と、この計測手段によって計測された出力波形から出力エネルギを算出する出力算出手段と、この出力算出手段によって算出された出力エネルギに基づき次の所定回目までのショット出力時に目標エネルギになる拡大、縮小係数を基に、前記励起電流を制御する制御手段とを備えたことを別の特徴としたものでよい。
【００２０】
このような構成では、励起電流と固体レーザの出力との関係式に基づき自動的に高速度で正確に達成することができる。
【００２１】
固体レーザの１ショット目の出力エネルギと定常時の出力エネルギとの熱レンズ効果による比を予め計測しておき、この比を基にした定常時の出力エネルギとなる拡大、縮小係数に基づき、以降の所定回数目までのショット出力時の励起電流を制御する、さらなる構成では、
１ショット目の出力エネルギは熱レンズ効果がまだ発生していない分だけ定常時の出力エネルギに対してほぼ一定の関係で低くなるが、このような熱レンズ効果による比を予め計測しておいて、この比を基にした拡大、縮小係数にて加工時の１ショット目の出力時の励起電流を制御することにより、１ショット目の出力から適正なものとしてダミー扱いしなくてもよくなる。
【００２２】
計測手段がリアミラー部を介し出力を計測する、さらなる構成では、
加工対象からの反射戻り光があっても、これが計測手段にまで至って影響するようなことを軽減することができ、出力をさらに精度よく安定させられる。
【００２３】
レーザ出力を集光レンズを用いて光ファイバに入射させるのに、戻り光防止ファイバを用いた、さらなる構成では、
加工対象が高反射率材料であって、高い％の戻り光があってもこれがＹＡＧレーザに入力するのを阻止することができる。
【００２４】
本発明のそれ以上の目的および特徴は、以下の詳細な説明および図面の記載によって明らかになる。本発明の各特徴は、それ単独で、あるいは可能な限りにおいて、種々な組合せで複合して採用することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る固体レーザ発振器の出力安定方法と装置につき、主として図１〜図５を参照しながら詳細に説明し、本発明の理解に供する。なお、以下の説明は本発明の具体例であって、特許請求の範囲の記載を限定するものではない。
【００２６】
図１に本発明の実施の形態に係る出力安定方法と装置を採用した固体レーザ発振器の１つの例を示している。まず、この固体レーザ発振器について説明すると、図１に示すように固体レーザ１を励起ランプ２によって励起して固体レーザ１からレーザ光３を出射させる。固体レーザ１は例えばパルスＹＡＧレーザであってその出射したレーザ光３を前後の出力ミラー４およびリアミラー５の間で繰り返し反射させて共振、増幅させ、出力ミラー４から外部に出力させる。このレーザ光３の出力パワーの制御は励起ランプ２を駆動する励起電流を電源のコントローラ１２により制御して行なう。このような電流制御のためにパワーモニタ１３の計測データは必要な出力状態を得る出力算出手段としての高速ＡＤ変換ユニット１６を介して電源コントローラ１２に入力し、電源系には電圧、電流変換器６を用い、例えばＡＣ２００Ｖの電源９がノンヒューズブレーカーＮＦＢと絶縁トランス１０とを介して接続している。
【００２７】
電圧、電流変換器６はレーザースタート信号を受ける都度インターロック信号およびイネーブル信号による管理のもとにトリガユニット７を介して励起ランプ２を起動するのに併せ、コントローラ１２によって設定された電流、電圧を励起ランプ２に供給し、供給した励起電流に従ったレーザ光３を出力させる。
【００２８】
このときの励起電流Ｉ（Ａ）と固体レーザ発振器の出力Ｐ（Ｗ）とは既述した図６に模式的に示す直線近似した二次曲線的な関係式Ｆが成り立つ相関性を有している。図６では励起電流Ｉの変化に対し出力Ｐが全く、またはほとんど変化しない不感帯域Ａと、直線比例関係が成立する相関域Ｂ、Ｃが認められる。相関域Ｂ、Ｃでは相関比率が異なっている。このような相関の境界点はその両側域での直線近似した相関線についての交点Ｄとして求めることができる。
【００２９】
ここで、相関域Ｂ、Ｃの電流Ｉの範囲ではそれぞれでの直線的な相関比率に基づき励起電流Ｉを制御すれば、目標とする出力Ｐが得られることになる。言い換えると、加工対象や加工の種類に応じて理想的に設定した目標出力Ｐ０、例えば目標エネルギや目標波形を設定すれば、これに見合う出力Ｐ０が得られるように前記相関域ＢやＣでの相関比率に従って算出した励起電流Ｉ０にて励起ランプ２を駆動すればよい。
【００３０】
しかし、固体レーザ発振器自体の特性によってこの相関性が一定しないし、同じ固体レーザ発振器にても熱レンズ効果に変化のある過渡期では相関性は変化し続け、その後は熱レンズ効果が定常的になって相関性は安定する。また、この定常状態にても加工時の生産タクト周期が変更されたり変動するようなことがあると、熱レンズ効果が不安定になって相関性も不安定になる。さらに、励起ランプ２は経時的に劣化するので相関比率が徐々に低下し、図６に従って相関関係が変化する上、不感帯域Ａまで劣化したときは励起ランプ２を交換しないと励起電流Ｉをいくら上げても出力Ｐは上がらない。また、周囲温度の変化によるミラー平行度の変化、光学系の経時的な汚れなども励起電流Ｉに対する出力Ｐの経時的な相関比率の低下を招く。
【００３１】
これら励起電流Ｉと出力Ｐとの相関性、相関比率の変動や、低下は目標出力Ｐ０に見合った励起電流制御によるときの出力Ｐの変動につながり、出力Ｐが安定せず、加工が不安定になる。ところで、このような出力の変動は図６に示すように目標出力Ｐ０に対する実出力Ｐ１、Ｐ２の差の有無、大小によって評価することができる。この差は平均出力、エネルギ、波形などの大小比Ｋ０として算定でき、特に波形の差は相似形に表れるので双方の違いを相似比Ｋ０′として簡単に捉えることができる。このような目標出力Ｐ０に対するその時々の実出力Ｐ１、Ｐ２の差が前記比Ｋ０、ＫＯ′などとして評価できれば、図６の関係式Ｆから目標出力Ｐ０に対し設定している通常の励起電流Ｉ０を、前記比Ｋ０、ＫＯ′などに基づき実出力Ｐ１、Ｐ２などが目標出力Ｐ０になる拡大、縮小係数Ｋにて補正すれば適性出力が得られる。
【００３２】
そこで、本実施の形態の固体レーザ発振器の出力安定方法は、励起電流Ｉを出力Ｐとの関係式Ｆに基づき制御して固体レーザ１からの出力Ｐを制御しながら加工を行なうのに、加工時の繰り返しショット出力Ｐにつき、所定の出力回数分ずつの平均出力波形を求めることを繰り返し、１回の平均波形を求めた都度、求めた平均波形が目標波形となる拡大、縮小係数Ｋの基に、次の平均波形を求めるまでの間の繰り返しショット出力時の励起電流Ｉを制御する。
【００３３】
このように、励起電流Ｉを出力Ｐとの関係式に基づき制御して固体レーザ１からの出力Ｐを制御しながら加工を行うのに、加工時の繰り返しショット出力Ｐにつき所定の出力回数分ずつの平均出力波形を求める。これはその所定出力回数分に応じた時間単位での励起電流Ｉに対する出力Ｐの波形の平均的な実績評価となり、次の実績評価時点までの間に繰り返す各ショット出力Ｐについて、前記評価した平均波形が目標波形となる拡大、縮小係数Ｋに基づき励起電流Ｉを制御するので、出力を精度よく安定させられる。特に、周囲温度の変化によるミラー平行度の変化、励起ランプ２の劣化など経時的に徐々に進行するような変化に対応するのに好適である。しかも、この制御はフィードバック制御となるが前記所定出力回数分の時間単位の余裕を持って行なえるので制御遅れによるハンチングはもとより、目標出力Ｐ０からほぼ外れることはなく前記出力の安定は損なわれない。
【００３４】
なお、次の実績評価時点までの間に繰り返す各ショット出力Ｐについて、前記評価した平均波形が目標波形となる拡大、縮小係数Ｋに基づき励起電流Ｉを制御するのに、拡大、縮小係数Ｋを徐々に変化させて目標出力Ｐ０の波形に徐々に近づけるようにすると、実出力Ｐの平均波形と目標出力Ｐ０の波形とが大きく違っているような場合に、出力Ｐの補正が極端になって制御や機器に悪影響を与えるような場合にそれを回避できる。
【００３５】
このような方法を達成する固体レーザの出力安定装置としては、予め計測し、あるいは教示されて設定手段１１などにより登録し、あるいは外部入力した固体レーザ１の励起電流波形と出力波形との関係式Ｆに基づき、励起電流Ｉをコントローラ１２によって制御して固体レーザ１からの所定の出力Ｐにて加工を繰り返す図１に示すような固体レーザ発振器の出力安定装置において、さらに、加工時の固体レーザ１からの繰り返しショット出力Ｐを計測する計測手段としてのパワーモニタ１３および高速ＡＤ変換ユニット１６と、この計測手段によって所定回数のショット出力Ｓｎが計測される都度その平均波形を求める出力算出手段１４と、この出力算出手段１４によって平均波形Ｓｍが求められる都度、次の平均波形Ｓｍが算出されるまでの間の繰り返しショット出力Ｐの各出力時に、前記求められた平均波形が目標出力Ｐ０の波形となる拡大、縮小係数Ｋを設定、または変更して励起電流Ｉを制御する制御手段１５とを備え、出力算出手段１４および制御手段１５は共にコントローラ１２の内部機能としてある。しかし、これに限られることはなく必要に応じて外部機器としたり共用機器としたりすることができ、どのようにも構成できる。これにより、上記のような方法を予め登録した励起電流Ｉと固体レーザ１の出力Ｐとの関係式Ｆに基づき自動的に高速度で正確に達成することができるし、関係式Ｆが変化するようなときは登録した関係式を補正、変更したり、所定のショット出力回数を実際の出力の変動幅や変動時間に応じて変化させたり、経過時間に応じて所定のショット出力回数を変化させたりすると、出力の変化に対してよりきめ細かに対応できるようになる。
【００３６】
ここで、前記登録は、加工時の生産タクト周期での所定回数のショット出力Ｐについての平均値から求めた関係式Ｆにつき行なうようにする。これにより、 予め計測して登録する励起電流Ｉと固体レーザ１の出力Ｐとの関係式Ｆが、実際の加工時の生産タクト周期でショット出力Ｐを繰り返すときの熱レンズ効果などにより加工時に生じる実際の出力変化に対応したものとなるので、出力Ｐの安定化の精度をより高められる。
【００３７】
また、励起ランプ２の交換時に、再度計測して予め得た関係式Ｆを登録して用いるようにする。このようにすると、励起ランプ２の劣化による条件の変更や、交換した励起ランプ２のランプ特性が必ずしも一定していないことに対応して、より正確な出力Ｐの安定化が図れる。
【００３８】
本実施の形態の電流型固体レーザ発振器の出力安定方法は、別に、励起電流Ｉを出力Ｐとの関係式Ｆに基づき制御して固体レーザ１からの出力Ｐを制御しながら加工を行なうのに、加工時の図２（ａ）（ｂ）に示すような繰り返しショット出力Ｐにおける所定回数目ごとのショット出力波形Ｓ１、Ｓ２、・・を計測して例えばＪエネルギに変換し、変換されたＪエネルギが所定の目標エネルギＪ０になる拡大、縮小係数Ｋを基に、次の所定回数目までのショット出力時の励起電流Ｉを制御する。
【００３９】
これにより、励起電流Ｉに対する固体レーザ発振器の出力Ｐの関係式Ｆを、加工時に繰り返えされるショット出力Ｐ単位のエネルギＪによって計測して、これが目標エネルギＪ０になる拡大、縮小係数Ｋに基づき次のショット出力Ｐに対する励起電流Ｉを制御するので、設定した波形を特に変化させることなくエネルギＪに過不足ないよう出力Ｐを安定させられる。また、この制御は前のショット出力Ｐについて行った計測を次のショット出力Ｐの電流制御に生かすショット出力Ｐ単位のリアルタイムフィードバック制御となるので、もし加工時の生産タクトが変化することにより固定レーザ発振器の熱レンズ効果に変動が生じてもこれの影響に対しリアルタイムに対応して出力を精度よく安定させられる。しかも、このリアルタイムフィードバック制御はショット出力が行われる加工時の生産タクト周期分だけの余裕を持って行えるので、従来のショット出力中の刻々と変化する出力Ｐをリアルタイムにフィードバック制御する場合のような制御遅れによるハンチングが生じることはなく、出力Ｐを高精度に安定させられる。また、加工に必要なショット出力の目標エネルギＪ０の設定があれば、初回のショット出力Ｐが目標エネルギＪ０を満足するような関係になくても、言い換えるとそのような関係を予め計測して設定しておくような手間を省略しても、初回のショット出力Ｐにて計測した関係Ｆから次のショット出力Ｐが目標エネルギＪ０になる励起電流Ｉと出力Ｐとの適正な関係ＦやＫを得て設定通りの出力Ｐ０にて加工ができるようにするので、加工が不良となる確立の高い初回のショット出力だけをダミーとする簡単な対応にて短時間に立ち上げることができる。なお、ショット出力Ｐが一旦適正となった後これが崩れる変動周期がショット出力の出力周期よりも長い場合は、変動周期内の最大出力回数に対応するショット出力Ｐ毎の計測に基づき、その間の各ショット出力のフィードバック制御を行うようにしても同様な出力の安定が得られる。
【００４０】
さらに、予め固体レーザ１の熱レンズ効果による１ショット目の出力エネルギＪと定常時の出力エネルギＪとの比を計測しておき、この比を基に定常時の出力エネルギＪとなる拡大、縮小係数Ｋにて次の１ショット目の出力を行うようにする。このようにすると、１ショット目の出力エネルギＪは熱レンズ効果がまだ発生していない分だけ定常時の出力エネルギＪに対してほぼ一定の関係で低くなるが、このような熱レンズ効果による比を予め計測しておいて、この比を基にした拡大、縮小係数Ｋにて加工時の１ショット目の出力時の励起電流Ｉを制御することにより、１ショット目の出力Ｐから適正なものとしてダミー扱いしなくてもよくなる。
【００４１】
このような方法を達成する装置としては、図１を共用して加工時の固体レーザ１からの繰り返しショット出力Ｐにおける所定回数目ごとの出力波形を計測する計測手段であるパワーモニタ１３、高速ＡＤ変換ユニット１６と、この計測手段によって計測された出力Ｐの波形から出力エネルギＪを算出する出力算出手段１４と、算出された出力エネルギＪに基づき次の所定回目までのショット出力時に所定のエネルギＪ０になる拡大、縮小係数Ｋにて励起電流Ｉを制御する制御手段１５とを備えたものでよい。これにより、励起電流Ｉと固体レーザ１の出力Ｐとの関係式Ｆに基づき自動的に高速度で正確に達成することができる。
【００４２】
また、計測手段であるパワーモニタ１３は図１に示すようにリアミラー５を介した出力を計測するようにしている。これにより、加工対象からの反射光の影響を防止することができる。言い換えると、反射ＹＡＧ＋プルームの影響を小さくすることができる。また、レーザ出力Ｐを集光レンズ２１を用いて光ファイバ２２に入射させるのに、既に知られた戻り光防止ファイバを用いている。これにより、加工対象が高反射率材料であって高い％の戻り光があってもこれがＹＡＧレーザに入力するのを阻止することができる。
【００４３】
ここで、上記実施の形態１、２に係る実施例について説明する。図１に示す装置において、高速Ａ／Ｄ変換ユニット１６は以下の仕様のものを採用した。
【００４４】
測定分解能 １４ビット
Ｊ演算処理速度 １ｍＳ
サンプリング速度 ４００ＫＨｚ
通信時間 １ｍＳ（ボーレート２３０、４ｋｂｐｓ）
ローパスフィルタ ５ＭＨｚ
入力範囲 ０〜４Ｖ
測定精度 ±１％
出力Ｐを励起電流Ｉによって制御するためのモードとして、出力Ｐを図２（ａ）に示すようなパルスとして取り扱うＰＬＳモードと、図２（ｂ）に示すような加工対象の材料や加工の種類によって設定した波形として取り扱うＷＯＲＫモードとを設定してある。ＰＬＳモードでは図２（ａ）に示すように設定電流値（Ａ）、設定パルス幅（ＰＷ）、加工時の生産タクト周期である周波数（Ｆ）にてショット出力Ｐを繰り返し加工を行なう。ＷＯＲＫモードでは設定電流波形、設定ステップ数Ｓ１、Ｓ２、・・Ｓｎ、加工時の生産タクト周期である周波数（Ｆ）にてショット出力Ｐを繰り返し加工を行なう。
【００４５】
これらの加工を行なうのに図３に示すようなメイン画面３１が電源コントローラ１２のモニタに表示され、図４に示すようなメインパラメータを入力するようになっている。このメインパラメータには図４に示すように、波形設定モード（ＷＡＶＥＦＯＲＭ ＭＯＤＥ）、ＷＯＲＫモード番号（ＷＯＲＫ ＮＯ）、波形番号（ＷＡＢＥ ＮＯ）、電流値（ＣＵＲＲ）、タイムスケール（ＰＵＬＳＥ）、ＷＯＲＫモードでのステップ数（ＳＴＥＰ）、ショット出力の周波数（ＦＲＥＱ）、ショット出力に関する（ＣＯＵＮＴ）、および設定時間（ＴＩＭＥＲ）がある。これらのメインパラメータの設定範囲および設定分解能は図４にそれらと同じ行に示している通りである。設定範囲は設定分解能に従い、実際に必要な範囲をカバーして実用でない範囲を外したものである。従って、最小値、最大値に臨界的な意味はない。
【００４６】
波形設定モード（ＷＡＶＥＦＯＲＭ ＭＯＤＥ）では、ＰＬＳモードかＷＯＲＫモードかを設定する。ＷＯＲＫモード番号（ＷＯＲＫ ＮＯ）はＷＯＲＫモードを設定する加工対象の種類を示す番号を設定し、波形番号（ＷＡＢＥ ＮＯ）は加工対象の種類毎に設定した個別の波形番号を設定する。波形番号の設定があるとメモリに予め格納された対応する波形データ、繰り返し周波数、カウント値、タイムスケール値を読み出す。例えばコントローラ１２の外部または内部スタートにて、設定されたＷＯＲＫ番号のＷＡＶＥ ＮＯ．１〜２１を自動で切り替えながら出力する。そして、ＮＯ．２１に達したらＮＯ．１に戻り繰り返し出力する。電流値（ＣＵＲＲ）は制御モードがＰＬＳモードの場合、設定された電流値にて出力を行う。ＷＯＲＫモードの場合は設定されたステップ電流値にて出力を行う。タイムスケール（ＰＵＬＳＥ）は設定されたパルス幅ＰＷにて出力を行うが、ＷＯＲＫモード時には０．１ｍＳ×ステップ数×タイムスケール値にて決定する。ＷＯＲＫモードでのステップ数（ＳＴＥＰ）は、制御モードがＷＯＲＫモードでのステップ数で、ステップ数だけステップ毎の電流値にて連続に出力するもので、各ＷＡＶＥ ＮＯの波形毎に出力を行う。ショット出力Ｐの周波数（ＦＲＥＱ）は設定された繰り返し周波数にて出力を繰り返す。ショット出力に関する（ＣＯＵＮＴ）はＰＬＳモードで動作モードがＣＯＵＮＴの場合、設定されたカウント値を出力して停止する。ＷＯＲＫモードで動作モードがＣＯＵＮＴの場合、設定されたカウント値を出力する。スタートしてからの総カウント数がＷＯＲＫ ＣＯＵＮＴ設定値に達したら途中で停止する。設定時間（ＴＩＭＥＲ）は動作モードがＴＩＭＥＲの場合、設定されたタイマー値だけ出力して停止する。
【００４７】
なお、タイムスケール（ＴＩＭＥ ＳＣＡＬＥ）は、制御モードがＷＯＲＫの場合、設定波形の最小ステップ時間にタイムスケール値をかけたステップ時間を出力する。各々の波形に対して設定する。ＷＯＲＫモード時の全カウント値（ＷＯＲＫ ＣＯＵＮＴ）は、ＷＯＲＫモードで動作モードがＣＯＵＮＴの場合、設定されたカウント値を出力して停止する。設定カウントが少ないと途中の波形で停止する。
【００４８】
このようなメインパラメータを設定するのに、メイン画面３１では、設定パラメータの表示画面３１ａと動作パラメータの表示画面３１ｂとが上部左右にあり＊印の位置に入力に従い設定数値が表示される。メイン画面３１の下辺部に沿って各種の設定操作キーが並んでいる。設定操作キーには図３に示すように、ＰＡＲＡキー３２、ＭＯＤＥキー３３、ＦＵＮキー３４、ＥＸＴキー３５、ＳＩＭＲキー３６、ＴＲＩＧキー３７、ＳＨＵＴキー３８、ＳＴＲＴキー３９、およびＳＴＯＰキー４０が設けられている。
【００４９】
ＰＡＲＡキー３２は電源コントロール用のパラメータの設定を行う。ただし、ＳＨＯＴ ＳＥＬＥＣＴ（ＦＵＮＣ画面）の設定がＲＡＴＥ ＩＮ／ＯＵＴの場合、ＲＡＴＥ ＩＮ／ＯＵＴパラメータの設定を行う。ＭＯＤＥキー３３は動作モードの変更を行う。ＦＵＮキー３４はショットカウンタのクリア、パワー変動異常値、ＰＯＷＥＲ ＦＢ（フィードバック）の設定、ＳＨＯＴ ＳＥＬＥＣＴの設定、ＵＰ／ＤＵＮキーの設定、補正値ＴＫの設定を行う。ＥＸＴキー３５は操作モード、外部シャッタモードの変更を行う。ＳＩＭＲキー３６はシマー制御を行う。ＴＲＩＧキー３７はトリガ出力を行う。ＳＨＵＴキー３８は固体レーザ発振器の動作を停止させるシャッターの制御を行う。ＳＴＲＴキー３９は操作モードがＩＮＴモードのとき、出力の開始を行う。ＳＴＯＰキー４０は操作モードがＩＮＴモードのとき、出力の停止を行う。
【００５０】
次に、メイン画面３１での今１つのＦＵＮＣキー４１を操作すると、図３のメイン画面３１が図示しないＦＵＮＣ画面になり、図５に示すようなパワー上限に関する「ＯＶＥＲ ＥＮＥＲＧＹ」、パワー下限に関する「ＵＮＤＥＲ ＥＮＥＲＧＹ」、パワーフィードバック制御モードを設定する「ＰＯＷＥＲ ＦＢ」、キャリブレーションモードを設定する「ＣＡＬ ＳＷ」、パワーフィードバック制御時の補正係数「ＦＢ Ｋ」、パワーフィードバック制御時の補正係数の変化率「ＦＢ ＲＡＴＥ」、パワーフィードバック制御時の励起ランプ２の特性に関する「ＷＡＲＮＩＮＧ１、２」、キャリブレーション時のＷＯＲＫ ＴＡＣＴ時間周期「ＷＯＲＫ１〜４ ＴＡＣＴ」、キャリブレーション時の１サイクル平均生データをパワー換算するための定数「ＷＫ１〜４」、設定電流出力時の補正係数「ＴＫ」などのパワーフィードバックパラメータが表示され、各パラメータ項目の横に表示される図示しない「ＰＵＳＨ」キーを操作することによりそれらパラメータの変更を可能にする。
【００５１】
「ＯＶＥＲ ＥＮＥＲＧＹ」、「ＵＮＤＥＲ ＥＮＥＲＧＹ」はパワーの変動に対する異常判定の上限値と下限値を設定する。「ＰＯＷＥＲ ＦＢ」はパワーフィードバック制御モードを設定するもので、これがＯＮのときパワーフィードバック制御を行う。「ＣＡＬ ＳＷ」はキャリブレーションを設定するもので、これがＯＮのときにキャリブレーションモードになる。キャリブレーションモードになると、強制的にＩＮＴモード、ＷＯＲＫモード、ＣＯＵＮＴモードに設定され、パワーフィードバック制御時の補正係数は「ＦＢ Ｋ」の設定値にリセットされる。これらのモードを変更すると強制的にＣＡＬ ＳＷはＯＦＦとなり、キャリブレーションモードが終了する。
【００５２】
パワーフィードバック制御中において、励起電流Ｉと出力Ｐとの相関性が変化するとき、この変化割合に応じて前記補正係数「ＦＢ Ｋ」を所定比率変化させて設定し直すための変化率「ＦＢ ＲＡＴＥ」を設定する。「ＷＡＲＮＩＮＧ１、２」はパワーフィードバック時の励起ランプ２の劣化判定のために設定するもので、ＷＡＲＮＩＮＧ１は劣化注意出力値、ＷＡＲＮＩＮＧ２は劣化異常出力値である。「ＷＯＲＫ１〜４ ＴＡＣＴ」はキャリブレーションモード時に設定されたＷＯＲＫ ＴＡＣＴ時間周期で１サイクル動作（ＣＯＵＮＴモード出力動作）を１０回行う。これは加工対象毎に行う。「ＷＫ１〜４」はキャリブレーションモード時に、１サイクルの平均生データをパワー換算するための定数であるので、加工対象の種類毎に設定する。キャリブレーションモード中は、メイン画面３１に換算した１サイクル中の平均パワーＭＰと３〜２０サイクルの平均パワーＳＭＰを表示する。なお、この時のパワー表示値はＷＫ×２０．４×入力電圧（Ｖ）である。
【００５３】
パワー変動異常はパワーモニタの値がＦＵＮＣ画面で設定されたＯＶＥＲ ＥＮＥＲＧＹ設定値より大きい、またはＵＮＤＥＲ ＥＮＥＲＧＹ設定値よりも小さい場合は、設定範囲外として異常と判断し、出力をＯＮする。出力停止中の場合は、出力をＯＦＦし、出力ＯＮ時にメイン画面に「ＰＯＷＲＥ ＥＲＲ」を表示する。
【００５４】
パワーメータの取り込みタイミングについては出力パルスの０．２５ｍＳ後より表示を行う。表示更新タイミングについては５００ｍＳなので、約１２０Ｈｚの周波数で出力すれば６４データの平均が取れる。周波数が低い場合、５００ｍＳ間で計測された回数で平均する。５００ｍＳの間にパルスが無い場合、前回の情報を保持し、３秒間パルスが無い場合に０にする。周波数が早い場合、最新の６４データを使用して表示する。０．２５ｍＳ＋（０．２５ｍＳ×７回）の間に次のパルスが入った場合、そのパルスは間引く。
【００５５】
次に、パワーモニタ１３で計測されたパワーに比例する電圧からエネルギを求める計算について説明する。パルスＹＡＧレーザのような固体レーザ１は、図６の閾値電流Ｉｄを超えて発振するが、閾値Ｉｄ付近では二次関数的に増加する。よって閾値１ｄ以上での相関域Ｂ、Ｃに対応した２つの直線近似式の交点Ｄを境にパワー計算を分離して行う。交点Ｄの入力電圧値をＶＯＬＴＱとすると、パルスのパワー（ＥＮＥＲＧＹ）は、０（Ｖ）＜ＶＯＬＴ１≦ＶＯＬＴＱのときＥＮＥＲＧＹ１＝（ＶＯＬＴ１−ＯＦＦＳＥＴ１）×Ｋ１×ＰＢ（ｍＳ）×２０、ＶＯＬＴＱ≦ＶＯＬＴ２＜１．９９９（Ｖ）のとき、ＥＮＥＲＧＹ２＝（ＶＯＬＴ１，２）＝入力電圧（０．０００Ｖ〜１．９９９Ｖ）、Ｋ１，２＝キャリブレーション値（０．００１〜９９．９９９）である。平均パワー（ＰＯＷＥＲ）は０（Ｖ）＜ＶＯＬＴ１≦ＶＯＬＴＱのとき、ＰＯＷＥＲ＝ＥＮＥＲＧＹ＝ＥＮＥＲＧＹ１×周波数、ＶＯＬＴＱ≦ＶＯＬＴ２＜１．９９９（Ｖ）のとき、ＰＯＷＥＲ＝ＥＮＥＲＧＹ２×周波数となる。キャリブレーション設定値、およびＯＦＦＳＥＴ設定値は実際のパワーモニタを用いてキャリブレーションを行う。なお、交点Ｄの入力電圧値が０．０００Ｖ以下、１．９９９Ｖ以上になる場合、および交点Ｄがない場合はパワーモニタ表示を０Ｗ、０Ｊとする。また、ＯＦＳＥＴ１＝ＯＦＦＳＥＴ２、Ｋ１＝Ｋ２とした場合、１つの直線近似式として計算する。
【００５６】
ここで、前記フィードバック制御に先立って行うキャリブレーションについて説明する。従来とは異なり、最初に生産動作条件でパワーキャリブレーションを行い、生産中も安定した固定パワーを求める。まず、キャリブレーションを行う機種（ＷＯＲＫ ＮＯ．）を設定し、ＦＵＮＣ画面のＣＡＬ ＳＷをＯＮにする。これによりキャリブレーションモードとなり、強制的にＩＮＴモード、ＷＯＲＫモード、ＣＯＵＮＴモードに設定される。なお、これらのモードを変更すると強制的にＣＡＬ ＳＷはＯＦＦとなり、キャリブレーションモードが終了する。
【００５７】
次に、ＦＵＮＣ画面のＦＢ Ｋを設定する。ＦＢ Ｋはパワーフィードバック時の補正係数基準値で、キャリブレーション時はこの基準値で出力する。パワーフィードバック時はこの補正基準値を変化させる。続いてＦＵＮＣ画面のＦＢ ＬＡＴＥを設定する。パワーフィードバック時１０サイクル出力毎に補正係数ＫをＦＢ ＲＡＴＥの割合で変化させる。
【００５８】
次いで、ＷＯＲＫ ＴＡＣＴを設定し、キャリブレーション時機種（ＷＯＲＫＮＯ）ごとに設定されたＷＯＲＫ ＴＡＣＴ時間周期で１サイクル動作（ＣＯＵＮＴモード出力動作）を１０回行う。これは１サイクル時間より長めに設定して行う。続いて、ＦＵＮＣ画面のＷＫを設定する。ＷＫは１サイクルの平均データをパワー換算するための定数で、機種（ＷＯＲＫ ＮＯ）毎に設定する。キャリブレーション中はメイン画面に換算した１サイクルの平均パワー（ＭＰ）と３〜１０サイクルの平均パワー（ＳＭＰ）を表示する。ここでのパワー表示値はＷＫ×２０．４×入力電圧（Ｖ）である。
【００５９】
以上は手操作にてキャリブレーションを行ったが、以下に自動でキャリブレーションを行う場合について説明する。ＣＡＬ ＳＷをＯＮにすると外部シャッタは強制的に閉となり、メイン画面３１のＳＨＵＴキー３８が無効となる。この状態でメイン画面３１のＳＴＲＴキー３９をＯＮすると設定された機種（ＷＯＲＫＮＯ）でのシーケンシャル波形制御を順次に自動的に行う。１サイクル動作（ＣＯＵＮＴモード出力動作）終了後、設定されたＷＯＲＫ ＴＡＣＴ周期に達すると出力Ｗを停止し、再スタートする。その際、１、２サイクルのデータは無視され、３〜２０サイクルの積算生データの１サイクル平均値をパワーフィードバックの基準値としてメモリに保存する。機種（ＷＯＲＫ ＮＯ）毎にキャリブレーション動作をすると、機種（ＷＯＲＫ ＮＯ）毎のパワーフィードバック基準値がメモリに保存される。
【００６０】
キャリブレーション動作が終了すると（１サイクルの動作を２０回出力すると）ＣＡＬ ＳＷはＯＦＦになり、通常のメイン画面３１を表示する。キャリブレーション中に停止した場合、ＣＡＬ ＳＷはＯＮのままとなるので、再度、キャリブレーション動作を行う。サンプリングは、出力パルスの０．２５ｍＳ後から０．２５ｍＳ毎に７回計測し、１サイクル全てのデータを積算する（最大積算約１５Ｓ）。なお、パワーメータのサンプリングデータを使用する。
【００６１】
以上のキャリブレーション動作による計測、データ作成に基づく加工動作においてパワーフィードバック制御を行う場合の実施例について説明する。ＦＵＮＣ画面でのＣＡＬ ＳＷをＯＦＦ、ＰＯＷＥＲ ＦＢをＯＮにする。これによりパワーフィドバック機能が有効になる。ただし、ＷＯＲＫモード、ＣＯＵＮＴモード時有効とし、他のモードではパワーフィードモードは無効とする。パワーフィードバックモード時の電流値は、メイン画面３１に表示されているパワー補正係数Ｋと設定電流値（ＰＯＷＥＲ ＦＦ等の補正値を考慮した値）をかけた値となる。なお、電流値は７５０Ａでクリップされる。ＦＵＮＣ画面内のＴ．ＣＯＵＮＴＥＲをリセットした場合、およびＦＢ Ｋ設定値を変更した場合、ＣＡＬ ＳＷをＯＮにした場合は、パワー補正係数ＫはＦＢ Ｋ設定値にリセットされる。
【００６２】
１サイクル動作（ＣＯＵＴモード出力動作）を１０回行う毎に、１０サイクルの積算平均値が、ＰＯＷＥＲ ＦＢ基準値±ＦＢ ＲＡＴＥ設定値以内ならパワー補正係数Ｋは変化しない。設定値以上の場合はパワー補正係数ＫをＦＢ ＲＡＴＥ設定値分変化させる。つまり、１０サイクルの積算平均値＜ＰＯＷＥＲ ＦＢ基準値×（１００％＋ＦＢ ＲＡＴＥ設定値）の場合Ｋ＝Ｋ−（ＦＢ ＲＡＴＥ設定値／１００）となり、１０サイクルの積算平均値＜ＰＯＷＥＲ ＦＢ基準値×（１００％−ＦＢ ＲＡＴＥ設定値）の場合、Ｋ＝Ｋ＋（ＦＢ ＲＡＴＥ設定値／１００）となる。
【００６３】
続いて、出力Ｐの波形をジュール換算して出力が目標ジュールとなるようにするジュールフィードバック（Ｊ−ＦＢ）機能について説明する。ジュールフィードバック制御時、電源コントローラ１２は１ショット出力する毎に高速ＡＤ変換ユニット１６へトリガ信号を出力する。高速ＡＤ変換ユニット１６はトリガ信号を受信するとパワーモニタ１３からの信号を計測開始し、パルス幅ＰＷ＋５００μＳ間のエネルギ積算を行う。計測終了後、積算データをコントローラ１２へ送信する。電源コントローラ１２は積算データを受信するとそれをジュール換算し、換算値と波形毎に設定された基準値を比較して、次のショット出力の電流値を補正する。なお、ジュールフィードバック制御を使用する場合の仕様制限は下記の通りとなる。
【００６４】
動作モードはＰＡＲＡキー３２によるＣＯＵＮＴモード、ＭＯＤＥキー３３によるＷＯＲＫモード、ＣＡＬ ＳＷ、ＰＯＷＥＲ ＦＢは共にＯＦＦ、ＪＯＵＬＥ ＦＢはＯＮ、また、（パルス幅ＰＢ＋５μＳ）＜（１／繰り返し周波数）である。なお、ジュールフィードバック制御はＣＯＵＮＴモード、ＷＯＲＫモードで使用するものとし、ＳＩＮＧＬＥ、ＲＥＰＥＡＴ、ＴＩＭＥＲ、またはＰＬＳモードに設定されている場合は、ＪＯＵＬＥ ＦＢの設定がＯＮでもジュールフィードバック制御は無効となる。このとき、ＪＯＵＬＥ ＦＢの設定をＯＮにすると、ＣＡＬ ＳＷ、ＰＯＷＥＲ ＦＢの設定は強制的にＯＦＦとなる。逆に、ＣＡＬ ＳＷ、ＰＯＷＥＲ ＦＢの設定をＯＮにすると、ＪＯＵＬＥ ＦＢの設定は強制的にＯＦＦとなる。
【００６５】
ここで、ジュールフィードバック制御時の補正係数Ｋについて説明する。波形毎に設定したジュール基準値Ｊに対して計測値との差ΔＪで次のショット出力時の補正係数Ｋを以下のように設定する。
【００６６】
１ショット目 Ｋ１＝ＴＫ×ＪＫ
２ショット目 Ｋ２＝Ｋ１×（１−ΔＪ１／Ｊ１）
３ショット目 Ｋ３＝Ｋ２×（１−ΔＪ２／Ｊ２）
また、ジュールフィードバック時のパラメータは次の通りである。ＪＯＵＬＥ（ＰＡＲＡキー３２）はＪＯＵＬＥ ＦＢの設定がＯＮのときに有効。ジュールフィードバック制御時のジュール基準値で、各波形毎に設定する。設定範囲は０．００〜９９．９９Ｊ（分解能０．１Ｊ）である。ＪＫはスタート時の変動制御値であり、ジュールフィードバックによる補正係数の変動比率が設定値よりも大きい場合は、設定値で変動する。０％設定時は変動しない。設定範囲は０〜１００％（分解能１％）である。ＪＯＵＬＥ ＣＡＬＢＲＡＴＩＯＮ（ＦＵＮＣキー３４）は、ジュール換算係数。高速ＡＤ変換ユニット１６から送信されたエネルギー積算データをジュール値に換算する。制御に使用する値は、この値にオフセット設定値を考慮した値となる。実際にはパルス幅ＰＷが１ｍＳ、パワーモニタ１３の入力１Ｖ、換算係数１．０００で約２Ｊとしている。設定範囲は０．００１〜９９．９９９（分解能０．００１）。ＰＯＷＥＲ ＡＶＥ ＣＴはパワー値の変動平均回数設定値。パワー値はジュール測定値に周波数をかけた値となる。設定範囲は１〜１０ＣＴ（分解能１Ｃ）とした。なお、外部ＩＯに対してはジュールフィードバック制御時はパワーフィドバック制御時と同様に、ランプ劣化注意、ランプ劣化異常、パワー変動異常の信号を出力する。メイン画面ではジュールフィードバック制御時はパワーフィドバック制御時と同様に、ランプ劣化注意は「ＷＡＲＮＩＮＧ」、パワー変動異常時は「ＰＯＷＥＲ」を表示する。また、計測したジュール値と波形毎に設定されたジュール基準値の比をグラフ表示する。４ショット出力の平均値を１ドット表示する。各波形毎の設定ジュールの変動比率（現在の波形の設定値と次の波形の設定値との比）をｒ＝＊＊＊＊として表示する。
【００６７】
なお、上記において各種動作パラメータの数値を使用しているが、他の数値でも同様なパワーフィードバック制御やジュールフィードバック制御ができるのは勿論である。
【００６８】
【発明の効果】
本発明の固体レーザ発振器の出力安定方法、装置の１つの特徴によれば、励起電流を出力との関係式に基づき制御して固体レーザからの出力にて加工を行うのに、加工時の繰り返しショット出力につき所定の出力回数分ずつの平均出力波形を求める。これはその所定出力回数分に応じた時間単位での励起電流に対する出力波形の平均的な実績評価となり、次の実績評価時点までの間に繰り返す各ショット出力について、前記評価した平均波形が目標波形となる拡大、縮小係数に基づき励起電流を制御するので、出力を精度よく安定させられる。特に、ランプの劣化など経時的に徐々に進行するような変化に対応するのに好適である。しかも、この制御はフィードバック制御となるが前記所定出力回数分の時間単位の余裕を持って行なえるので制御遅れによるハンチングはもとより、目標出力からほぼ外れることはなく前記出力の安定は損なわれない。
【００６９】
本発明の別の特徴の電流型固体レーザ発振器の出力安定方法と装置によれば、励起電流に対する固体レーザ発振器の出力の関係を、加工時に繰り返えされるショット出力単位のエネルギによって計測して、これが目標エネルギになる拡大、縮小係数に基づき次のショット出力に対する励起電流を制御をするので、設定した波形を特に変化させることなくエネルギに過不足がないように出力を安定させられる。また、この制御は前のショット出力について行った計測を次のショット出力の電流制御に生かすショット出力単位のリアルタイムフィードバック制御となるので、もし加工時の生産タクトが変化することにより固定レーザ発振器の熱レンズ効果やミラー平行度に変動が生じてもこれの影響に対しリアルタイムに対応して出力を精度よく安定させられる。しかも、このリアルタイムフィードバック制御はショット出力が行われる加工時の生産タクト周期分だけの余裕を持って行えるので、従来のショット出力中の刻々と変化する出力をリアルタイムにフィードバック制御する場合のような制御遅れによるハンチングが生じることはなく、出力を高精度に安定させられる。また、加工に必要なショット出力の目標エネルギの設定があれば、初回のショット出力が目標エネルギを満足するような関係になくても、言い換えるとそのような関係を予め計測して設定しておくような手間を省略しても、初回のショット出力にて計測した関係から次のショット出力が目標エネルギになる励起電流と出力との適正な関係を得て設定通りの出力にて加工ができるようにするので、加工が不良となる確立の高い初回のショット出力だけをダミーとする簡単な対応にて短時間に立ち上げることができる。なお、ショット出力が一旦適正となった後これが崩れる変動周期がショット出力の出力周期よりも長い場合は、変動周期内の最大出力回数に対応するショット出力毎の計測に基づき、その間の各ショット出力のフィードバック制御を行うようにしても同様な出力の安定が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る固体レーザの出力安定装置の１つの例を示すブロック構成図。
【図２】図１の装置の動作波形図。
【図３】図１の装置の動作画面表示を行うメイン画面図。
【図４】図３のメイン画面での設定パラメータ表。
【図５】パワーフィードバック制御に関連するパラメータ表。
【図６】励起電流と出力との相関性を模式的に示すグラフ。
【図７】アルミニウム溶接時の出力波形。
【図８】従来のパワーフィードバック制御装置を示すブロック構成図。
【図９】従来のパワーフィードフォーワード制御装置の制御例を示す励起電流と出力とのグラフ。
【符号の説明】
１ 固体レーザ
２ 励起ランプ
３ レーザ光
４ 出力ミラー
５ リアミラー
６ パワーユニット
１２ コントローラ
１３ パワーモニタ
１４ 出力算出手段
１５ 制御手段
１６ 高速ＡＤ変換ユニット
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体レーザ発振器の出力安定方法と装置に関し、例えばパルスＹＡＧレーザ等の固体レーザ発振器の出力安定に好適な固体レーザ発振器の出力安定方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パルスＹＡＧレーザはショット出力開始初期にＹＡＧレーザが吸収する励起光源からのエネルギにより発熱して歪む、いわゆる熱レンズ効果によって出力が変動する。またＹＡＧレーザの前後に共振ミラーを配置して構成する固体レーザ発振器では周囲温度の変動による共振ミラーの平行度ずれにても出力が変動する。このため、熱レンズ効果の削減や、ベース温度調節によるミラー平行度ずれの削減がパワーフィードバック制御（例えば、特許文献１参照。）やフィードフォーワード制御（例えば、特許文献２参照。）によって図られている。
【０００３】
特許文献１に記載のパワーフィードバック制御は、図８に示すように固体レーザ発振器ａからの出力レーザビームｌｂの一部をハーフミラーｂによって取り出し、これをパワーモニタｃに入力して光電流・電圧変換回路ｄにて光電変換する。光電変換した電気出力はＡ／Ｄ変換器ｅや光強度測定部ｆを経てレーザ電源回路ｇにリアルタイムでフィードバックしている。レーザ電源回路ｇはフィードバックされる光強度に応じてその時々の出力が目標光強度になるように励起電流を増減する。このようなフィードバック制御により固体レーザ発振器ａから繰り返しショット出力されるレーザビームｌｂをワークｈに導き所定の加工を行う。
【０００４】
特許文献２に記載のフィードフォーワード制御は、図示しない固体レーザ発振器を出力が安定する定常状態でアライメントしておき、加工時において熱レンズ効果がまだ発生しないか、効果がまだ小さく出力が不足するのを補償するために、初期出力時の出力が定常時よりも不足する範囲でその不足する割合に応じて、励起電流を図９（ａ）で示すように定常時よりも大きく設定している。これにより、図９（ｂ）に示すように固体レーザ発振器からの各回のショット出力は、初期出力時から定常状態になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようなリアルタイムフィードバック制御では、次のような問題がある。
【０００６】
▲１▼アルミニウムのような高反射物かつ低融点かつ高熱伝導金属は、シーム溶接する際、ＹＡＧレーザの基本波長１６４ｎｍに対して９３％もの反射がある。このため、図７に示すような高速立上がりを含む３段波形制御を行い、最初に１００μ秒以下の時間Ｔ１で４ＫＷを超える高いピークパワーＰ１で切り込んでキーホールを形成するようにしている。一度キーホールができると急激にパワーをＰ２、Ｐ３などと落として出力波形を低くなだらかにすることにより表面状態がよく安定した溶接ができるようにしている。ところが、ＹＡＧレーザで１００μｍ以下で４ＫＷの出力を得ようとすると、数ＫＡ／ｍｓもの高速大電流スイッチング素子が必要である。特に、リアルタイムパワーフィードバックを実行しようとすると、その数倍の立ち上がり速度が必要となってこれを可能にするスイッチング素子は今のところなく実現性に乏しい。
【０００７】
▲２▼高速立上がりとの妥協を図り、溶接品質を落として立ち上がり可能な速度範囲でリアルタイムパワーフィードバックを行うと、アルミニウムのような高反射率材料はレーザトーチを傾けて正面反射戻り光が到達しないようにしても、動作中の戻り光による時間遅れなパワーフィードバックでハンチングを起こし、溶接が不安定になるのを回避できない。
【０００８】
▲３▼パワーフィードバック制御をしないと励起ランプのパワーが次第に低下していくが、固体レーザ発振器には発振閾値があるために閾値電流量ないしは閾値電圧値を超えないとレーザー発振を行うことができない。言い換えると、低電流量域で励起電流Ｉに対する固体レーザ発振器の出力Ｐの関係に図６に示すような不感帯Ａがあるため、パワーＰが２０％ダウンしたからといって励起電流Ｉを２０％アップしても定常時のパワーＰは得られない。また、定常時のパワーＰを得るために励起電流Ｉを双方の関係式から外れて手動で設定しても単に電流拡大、縮小係数を変えるだけでは目標波形が一定せず変化するので、溶接状態が変化する。よって、現実にはこのような事態になるとランプ寿命とみなさざるを得ず、２４時間生産の場合毎週ランプ交換するなど短期のランプ交換が必要となり極めて多くのランニングコストと手間が掛かっている。
【０００９】
一方、パワーフィードフォーワード制御では、フィードバック制御ではないので、周囲環境や使用条件などの事後変化により、目論見通りの補正が困難である場合が多くなる。また事前に登録する補正値の設定にも考え方に法則性がなく思考錯誤してかなり手間が掛かっている。なによりも致命的なのは動作間隔が変化すると熱レンズ効果の比率が変化するが、これに対応できず逆の補正をしてしまうような問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、フィードバック制御の利点を生かして出力を精度よく安定させられる固体レーザ発振器の出力安定方法と装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体レーザ発振器の出力安定方法は、加工時の繰り返しショット出力につき、所定の出力回数分ずつの平均出力波形を求めることを繰り返し、１回の平均波形を求めた都度、求めた平均波形が目標波形となる拡大、縮小係数を基に、次の平均波形を求めるまでの間の繰り返しショット出力時の励起電流を制御することを１つの特徴としている。
【００１２】
このような構成では、励起電流を出力との関係式に基づき制御して固体レーザからの出力にて加工を行うのに、加工時の繰り返しショット出力につき所定の出力回数分ずつの平均出力波形を求める。これはその所定出力回数分に応じた時間単位での励起電流に対する出力波形の平均的な実績評価となり、次の実績評価時点までの間に繰り返す各ショット出力について、前記評価した平均波形が目標波形となる拡大、縮小係数に基づき励起電流を制御するので、出力を精度よく安定させられる。特に、ランプの劣化など経時的に徐々に進行するような変化に対応するのに好適である。しかも、この制御はフィードバック制御となるが前記所定出力回数分の時間単位の余裕を持って行なえるので制御遅れによるハンチングはもとより、目標出力からほぼ外れることはなく前記出力の安定は損なわれない。
【００１３】
このような方法を達成する固体レーザの出力安定装置としては、 予め計測し登録した固体レーザの励起電流と出力との関係式と目標波形に基づき、前記励起電流を制御して固体レーザからの所定の出力にて加工を繰り返す固体レーザ発振器の出力安定装置であって、
加工時の固体レーザからの繰り返しショット出力を計測する計測手段と、この計測手段によって所定回数のショット出力が計測される都度その平均波形を求める出力算出手段と、この出力算出手段によって平均波形が求められる都度、次の平均波形が算出されるまでの間の繰り返しショット出力時に、前記求められた平均波形が目標波形となる拡大、縮小係数を基に前記励起電流を制御する制御手段とを備えたことを１つの特徴とするものでよい。
【００１４】
このような構成では、上記のような方法を予め登録した励起電流と固体レーザの出力との関係式に基づき自動的に高速度で正確に達成することができる。
【００１５】
登録は、加工時の生産タクト周期での所定回数のショット出力についての平均値から求めた関係式につき行なう、さらなる構成では、
予め計測して登録する励起電流と固体レーザの出力との関係式が、実際の加工時の生産タクト周期でショット出力を繰り返すときの熱レンズ効果などにより加工時に生じる出力変化に対応したものとなるので、出力の安定化の精度をより高められる。
【００１６】
また、ランプ交換時に、再度計測して得た関係式を登録して用いる、さらなる構成では、
ランプ交換を行うと、先のランプの劣化に対応して行なわれた条件変更や、ランプ特性が必ずしも一定していないことに対応して、出力の精度よい安定化が図れる。
【００１７】
本発明の電流型固体レーザ発振器の出力安定方法は、また、加工時の繰り返しショット出力における所定回数目ごとのショット出力波形を計測してエネルギ変換し、変換されたエネルギが所定のエネルギになる拡大、縮小係数を基に、次の所定回数目までのショット出力時の励起電流を制御することを別の特徴としている。
【００１８】
このような構成では、励起電流に対する固体レーザ発振器の出力の関係を、加工時に繰り返えされるショット出力単位のエネルギによって計測して、これが目標エネルギになる拡大、縮小係数に基づき次のショット出力に対する励起電流を制御をするので、設定した波形を特に変化させることなくエネルギに過不足がないように出力を安定させられる。また、この制御は前のショット出力について行った計測を次のショット出力の電流制御に生かすショット出力単位のリアルタイムフィードバック制御となるので、もし加工時の生産タクトが変化することにより固定レーザ発振器の熱レンズ効果やミラー平行度に変動が生じてもこれの影響に対しリアルタイムに対応して出力を精度よく安定させられる。しかも、このリアルタイムフィードバック制御はショット出力が行われる加工時の生産タクト周期分だけの余裕を持って行えるので、従来のショット出力中の刻々と変化する出力をリアルタイムにフィードバック制御する場合のような制御遅れによるハンチングが生じることはなく、出力を高精度に安定させられる。また、加工に必要なショット出力の目標エネルギの設定があれば、初回のショット出力が目標エネルギを満足するような関係になくても、言い換えるとそのような関係を予め計測して設定しておくような手間を省略しても、初回のショット出力にて計測した関係から次のショット出力が目標エネルギになる励起電流と出力との適正な関係を得て設定通りの出力にて加工ができるようにするので、加工が不良となる確立の高い初回のショット出力だけをダミーとする簡単な対応にて短時間に立ち上げることができる。なお、ショット出力が一旦適正となった後これが崩れる変動周期がショット出力の出力周期よりも長い場合は、変動周期内の最大出力回数に対応するショット出力毎の計測に基づき、その間の各ショット出力のフィードバック制御を行うようにしても同様な出力の安定が得られる。
【００１９】
このような方法を達成する装置としては、励起電流を出力との関係式に基づき制御して固体レーザからの所定の出力にて加工を繰り返す固体レーザ発振器の出力安定装置であって、加工時の固体レーザからの繰り返しショット出力における所定回数目ごとの出力波形を計測する計測手段と、この計測手段によって計測された出力波形から出力エネルギを算出する出力算出手段と、この出力算出手段によって算出された出力エネルギに基づき次の所定回目までのショット出力時に目標エネルギになる拡大、縮小係数を基に、前記励起電流を制御する制御手段とを備えたことを別の特徴としたものでよい。
【００２０】
このような構成では、励起電流と固体レーザの出力との関係式に基づき自動的に高速度で正確に達成することができる。
【００２１】
固体レーザの１ショット目の出力エネルギと定常時の出力エネルギとの熱レンズ効果による比を予め計測しておき、この比を基にした定常時の出力エネルギとなる拡大、縮小係数に基づき、以降の所定回数目までのショット出力時の励起電流を制御する、さらなる構成では、
１ショット目の出力エネルギは熱レンズ効果がまだ発生していない分だけ定常時の出力エネルギに対してほぼ一定の関係で低くなるが、このような熱レンズ効果による比を予め計測しておいて、この比を基にした拡大、縮小係数にて加工時の１ショット目の出力時の励起電流を制御することにより、１ショット目の出力から適正なものとしてダミー扱いしなくてもよくなる。
【００２２】
計測手段がリアミラー部を介し出力を計測する、さらなる構成では、
加工対象からの反射戻り光があっても、これが計測手段にまで至って影響するようなことを軽減することができ、出力をさらに精度よく安定させられる。
【００２３】
レーザ出力を集光レンズを用いて光ファイバに入射させるのに、戻り光防止ファイバを用いた、さらなる構成では、
加工対象が高反射率材料であって、高い％の戻り光があってもこれがＹＡＧレーザに入力するのを阻止することができる。
【００２４】
本発明のそれ以上の目的および特徴は、以下の詳細な説明および図面の記載によって明らかになる。本発明の各特徴は、それ単独で、あるいは可能な限りにおいて、種々な組合せで複合して採用することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る固体レーザ発振器の出力安定方法と装置につき、主として図１〜図５を参照しながら詳細に説明し、本発明の理解に供する。なお、以下の説明は本発明の具体例であって、特許請求の範囲の記載を限定するものではない。
【００２６】
図１に本発明の実施の形態に係る出力安定方法と装置を採用した固体レーザ発振器の１つの例を示している。まず、この固体レーザ発振器について説明すると、図１に示すように固体レーザ１を励起ランプ２によって励起して固体レーザ１からレーザ光３を出射させる。固体レーザ１は例えばパルスＹＡＧレーザであってその出射したレーザ光３を前後の出力ミラー４およびリアミラー５の間で繰り返し反射させて共振、増幅させ、出力ミラー４から外部に出力させる。このレーザ光３の出力パワーの制御は励起ランプ２を駆動する励起電流を電源のコントローラ１２により制御して行なう。このような電流制御のためにパワーモニタ１３の計測データは必要な出力状態を得る出力算出手段としての高速ＡＤ変換ユニット１６を介して電源コントローラ１２に入力し、電源系には電圧、電流変換器６を用い、例えばＡＣ２００Ｖの電源９がノンヒューズブレーカーＮＦＢと絶縁トランス１０とを介して接続している。
【００２７】
電圧、電流変換器６はレーザースタート信号を受ける都度インターロック信号およびイネーブル信号による管理のもとにトリガユニット７を介して励起ランプ２を起動するのに併せ、コントローラ１２によって設定された電流、電圧を励起ランプ２に供給し、供給した励起電流に従ったレーザ光３を出力させる。
【００２８】
このときの励起電流Ｉ（Ａ）と固体レーザ発振器の出力Ｐ（Ｗ）とは既述した図６に模式的に示す直線近似した二次曲線的な関係式Ｆが成り立つ相関性を有している。図６では励起電流Ｉの変化に対し出力Ｐが全く、またはほとんど変化しない不感帯域Ａと、直線比例関係が成立する相関域Ｂ、Ｃが認められる。相関域Ｂ、Ｃでは相関比率が異なっている。このような相関の境界点はその両側域での直線近似した相関線についての交点Ｄとして求めることができる。
【００２９】
ここで、相関域Ｂ、Ｃの電流Ｉの範囲ではそれぞれでの直線的な相関比率に基づき励起電流Ｉを制御すれば、目標とする出力Ｐが得られることになる。言い換えると、加工対象や加工の種類に応じて理想的に設定した目標出力Ｐ０、例えば目標エネルギや目標波形を設定すれば、これに見合う出力Ｐ０が得られるように前記相関域ＢやＣでの相関比率に従って算出した励起電流Ｉ０にて励起ランプ２を駆動すればよい。
【００３０】
しかし、固体レーザ発振器自体の特性によってこの相関性が一定しないし、同じ固体レーザ発振器にても熱レンズ効果に変化のある過渡期では相関性は変化し続け、その後は熱レンズ効果が定常的になって相関性は安定する。また、この定常状態にても加工時の生産タクト周期が変更されたり変動するようなことがあると、熱レンズ効果が不安定になって相関性も不安定になる。さらに、励起ランプ２は経時的に劣化するので相関比率が徐々に低下し、図６に従って相関関係が変化する上、不感帯域Ａまで劣化したときは励起ランプ２を交換しないと励起電流Ｉをいくら上げても出力Ｐは上がらない。また、周囲温度の変化によるミラー平行度の変化、光学系の経時的な汚れなども励起電流Ｉに対する出力Ｐの経時的な相関比率の低下を招く。
【００３１】
これら励起電流Ｉと出力Ｐとの相関性、相関比率の変動や、低下は目標出力Ｐ０に見合った励起電流制御によるときの出力Ｐの変動につながり、出力Ｐが安定せず、加工が不安定になる。ところで、このような出力の変動は図６に示すように目標出力Ｐ０に対する実出力Ｐ１、Ｐ２の差の有無、大小によって評価することができる。この差は平均出力、エネルギ、波形などの大小比Ｋ０として算定でき、特に波形の差は相似形に表れるので双方の違いを相似比Ｋ０′として簡単に捉えることができる。このような目標出力Ｐ０に対するその時々の実出力Ｐ１、Ｐ２の差が前記比Ｋ０、ＫＯ′などとして評価できれば、図６の関係式Ｆから目標出力Ｐ０に対し設定している通常の励起電流Ｉ０を、前記比Ｋ０、ＫＯ′などに基づき実出力Ｐ１、Ｐ２などが目標出力Ｐ０になる拡大、縮小係数Ｋにて補正すれば適性出力が得られる。
【００３２】
そこで、本実施の形態の固体レーザ発振器の出力安定方法は、励起電流Ｉを出力Ｐとの関係式Ｆに基づき制御して固体レーザ１からの出力Ｐを制御しながら加工を行なうのに、加工時の繰り返しショット出力Ｐにつき、所定の出力回数分ずつの平均出力波形を求めることを繰り返し、１回の平均波形を求めた都度、求めた平均波形が目標波形となる拡大、縮小係数Ｋの基に、次の平均波形を求めるまでの間の繰り返しショット出力時の励起電流Ｉを制御する。
【００３３】
このように、励起電流Ｉを出力Ｐとの関係式に基づき制御して固体レーザ１からの出力Ｐを制御しながら加工を行うのに、加工時の繰り返しショット出力Ｐにつき所定の出力回数分ずつの平均出力波形を求める。これはその所定出力回数分に応じた時間単位での励起電流Ｉに対する出力Ｐの波形の平均的な実績評価となり、次の実績評価時点までの間に繰り返す各ショット出力Ｐについて、前記評価した平均波形が目標波形となる拡大、縮小係数Ｋに基づき励起電流Ｉを制御するので、出力を精度よく安定させられる。特に、周囲温度の変化によるミラー平行度の変化、励起ランプ２の劣化など経時的に徐々に進行するような変化に対応するのに好適である。しかも、この制御はフィードバック制御となるが前記所定出力回数分の時間単位の余裕を持って行なえるので制御遅れによるハンチングはもとより、目標出力Ｐ０からほぼ外れることはなく前記出力の安定は損なわれない。
【００３４】
なお、次の実績評価時点までの間に繰り返す各ショット出力Ｐについて、前記評価した平均波形が目標波形となる拡大、縮小係数Ｋに基づき励起電流Ｉを制御するのに、拡大、縮小係数Ｋを徐々に変化させて目標出力Ｐ０の波形に徐々に近づけるようにすると、実出力Ｐの平均波形と目標出力Ｐ０の波形とが大きく違っているような場合に、出力Ｐの補正が極端になって制御や機器に悪影響を与えるような場合にそれを回避できる。
【００３５】
このような方法を達成する固体レーザの出力安定装置としては、予め計測し、あるいは教示されて設定手段１１などにより登録し、あるいは外部入力した固体レーザ１の励起電流波形と出力波形との関係式Ｆに基づき、励起電流Ｉをコントローラ１２によって制御して固体レーザ１からの所定の出力Ｐにて加工を繰り返す図１に示すような固体レーザ発振器の出力安定装置において、さらに、加工時の固体レーザ１からの繰り返しショット出力Ｐを計測する計測手段としてのパワーモニタ１３および高速ＡＤ変換ユニット１６と、この計測手段によって所定回数のショット出力Ｓｎが計測される都度その平均波形を求める出力算出手段１４と、この出力算出手段１４によって平均波形Ｓｍが求められる都度、次の平均波形Ｓｍが算出されるまでの間の繰り返しショット出力Ｐの各出力時に、前記求められた平均波形が目標出力Ｐ０の波形となる拡大、縮小係数Ｋを設定、または変更して励起電流Ｉを制御する制御手段１５とを備え、出力算出手段１４および制御手段１５は共にコントローラ１２の内部機能としてある。しかし、これに限られることはなく必要に応じて外部機器としたり共用機器としたりすることができ、どのようにも構成できる。これにより、上記のような方法を予め登録した励起電流Ｉと固体レーザ１の出力Ｐとの関係式Ｆに基づき自動的に高速度で正確に達成することができるし、関係式Ｆが変化するようなときは登録した関係式を補正、変更したり、所定のショット出力回数を実際の出力の変動幅や変動時間に応じて変化させたり、経過時間に応じて所定のショット出力回数を変化させたりすると、出力の変化に対してよりきめ細かに対応できるようになる。
【００３６】
ここで、前記登録は、加工時の生産タクト周期での所定回数のショット出力Ｐについての平均値から求めた関係式Ｆにつき行なうようにする。これにより、 予め計測して登録する励起電流Ｉと固体レーザ１の出力Ｐとの関係式Ｆが、実際の加工時の生産タクト周期でショット出力Ｐを繰り返すときの熱レンズ効果などにより加工時に生じる実際の出力変化に対応したものとなるので、出力Ｐの安定化の精度をより高められる。
【００３７】
また、励起ランプ２の交換時に、再度計測して予め得た関係式Ｆを登録して用いるようにする。このようにすると、励起ランプ２の劣化による条件の変更や、交換した励起ランプ２のランプ特性が必ずしも一定していないことに対応して、より正確な出力Ｐの安定化が図れる。
【００３８】
本実施の形態の電流型固体レーザ発振器の出力安定方法は、別に、励起電流Ｉを出力Ｐとの関係式Ｆに基づき制御して固体レーザ１からの出力Ｐを制御しながら加工を行なうのに、加工時の図２（ａ）（ｂ）に示すような繰り返しショット出力Ｐにおける所定回数目ごとのショット出力波形Ｓ１、Ｓ２、・・を計測して例えばＪエネルギに変換し、変換されたＪエネルギが所定の目標エネルギＪ０になる拡大、縮小係数Ｋを基に、次の所定回数目までのショット出力時の励起電流Ｉを制御する。
【００３９】
これにより、励起電流Ｉに対する固体レーザ発振器の出力Ｐの関係式Ｆを、加工時に繰り返えされるショット出力Ｐ単位のエネルギＪによって計測して、これが目標エネルギＪ０になる拡大、縮小係数Ｋに基づき次のショット出力Ｐに対する励起電流Ｉを制御するので、設定した波形を特に変化させることなくエネルギＪに過不足ないよう出力Ｐを安定させられる。また、この制御は前のショット出力Ｐについて行った計測を次のショット出力Ｐの電流制御に生かすショット出力Ｐ単位のリアルタイムフィードバック制御となるので、もし加工時の生産タクトが変化することにより固定レーザ発振器の熱レンズ効果に変動が生じてもこれの影響に対しリアルタイムに対応して出力を精度よく安定させられる。しかも、このリアルタイムフィードバック制御はショット出力が行われる加工時の生産タクト周期分だけの余裕を持って行えるので、従来のショット出力中の刻々と変化する出力Ｐをリアルタイムにフィードバック制御する場合のような制御遅れによるハンチングが生じることはなく、出力Ｐを高精度に安定させられる。また、加工に必要なショット出力の目標エネルギＪ０の設定があれば、初回のショット出力Ｐが目標エネルギＪ０を満足するような関係になくても、言い換えるとそのような関係を予め計測して設定しておくような手間を省略しても、初回のショット出力Ｐにて計測した関係Ｆから次のショット出力Ｐが目標エネルギＪ０になる励起電流Ｉと出力Ｐとの適正な関係ＦやＫを得て設定通りの出力Ｐ０にて加工ができるようにするので、加工が不良となる確立の高い初回のショット出力だけをダミーとする簡単な対応にて短時間に立ち上げることができる。なお、ショット出力Ｐが一旦適正となった後これが崩れる変動周期がショット出力の出力周期よりも長い場合は、変動周期内の最大出力回数に対応するショット出力Ｐ毎の計測に基づき、その間の各ショット出力のフィードバック制御を行うようにしても同様な出力の安定が得られる。
【００４０】
さらに、予め固体レーザ１の熱レンズ効果による１ショット目の出力エネルギＪと定常時の出力エネルギＪとの比を計測しておき、この比を基に定常時の出力エネルギＪとなる拡大、縮小係数Ｋにて次の１ショット目の出力を行うようにする。このようにすると、１ショット目の出力エネルギＪは熱レンズ効果がまだ発生していない分だけ定常時の出力エネルギＪに対してほぼ一定の関係で低くなるが、このような熱レンズ効果による比を予め計測しておいて、この比を基にした拡大、縮小係数Ｋにて加工時の１ショット目の出力時の励起電流Ｉを制御することにより、１ショット目の出力Ｐから適正なものとしてダミー扱いしなくてもよくなる。
【００４１】
このような方法を達成する装置としては、図１を共用して加工時の固体レーザ１からの繰り返しショット出力Ｐにおける所定回数目ごとの出力波形を計測する計測手段であるパワーモニタ１３、高速ＡＤ変換ユニット１６と、この計測手段によって計測された出力Ｐの波形から出力エネルギＪを算出する出力算出手段１４と、算出された出力エネルギＪに基づき次の所定回目までのショット出力時に所定のエネルギＪ０になる拡大、縮小係数Ｋにて励起電流Ｉを制御する制御手段１５とを備えたものでよい。これにより、励起電流Ｉと固体レーザ１の出力Ｐとの関係式Ｆに基づき自動的に高速度で正確に達成することができる。
【００４２】
また、計測手段であるパワーモニタ１３は図１に示すようにリアミラー５を介した出力を計測するようにしている。これにより、加工対象からの反射光の影響を防止することができる。言い換えると、反射ＹＡＧ＋プルームの影響を小さくすることができる。また、レーザ出力Ｐを集光レンズ２１を用いて光ファイバ２２に入射させるのに、既に知られた戻り光防止ファイバを用いている。これにより、加工対象が高反射率材料であって高い％の戻り光があってもこれがＹＡＧレーザに入力するのを阻止することができる。
【００４３】
ここで、上記実施の形態１、２に係る実施例について説明する。図１に示す装置において、高速Ａ／Ｄ変換ユニット１６は以下の仕様のものを採用した。
【００４４】
測定分解能 １４ビット
Ｊ演算処理速度 １ｍＳ
サンプリング速度 ４００ＫＨｚ
通信時間 １ｍＳ（ボーレート２３０、４ｋｂｐｓ）
ローパスフィルタ ５ＭＨｚ
入力範囲 ０〜４Ｖ
測定精度 ±１％
出力Ｐを励起電流Ｉによって制御するためのモードとして、出力Ｐを図２（ａ）に示すようなパルスとして取り扱うＰＬＳモードと、図２（ｂ）に示すような加工対象の材料や加工の種類によって設定した波形として取り扱うＷＯＲＫモードとを設定してある。ＰＬＳモードでは図２（ａ）に示すように設定電流値（Ａ）、設定パルス幅（ＰＷ）、加工時の生産タクト周期である周波数（Ｆ）にてショット出力Ｐを繰り返し加工を行なう。ＷＯＲＫモードでは設定電流波形、設定ステップ数Ｓ１、Ｓ２、・・Ｓｎ、加工時の生産タクト周期である周波数（Ｆ）にてショット出力Ｐを繰り返し加工を行なう。
【００４５】
これらの加工を行なうのに図３に示すようなメイン画面３１が電源コントローラ１２のモニタに表示され、図４に示すようなメインパラメータを入力するようになっている。このメインパラメータには図４に示すように、波形設定モード（ＷＡＶＥＦＯＲＭ ＭＯＤＥ）、ＷＯＲＫモード番号（ＷＯＲＫ ＮＯ）、波形番号（ＷＡＢＥ ＮＯ）、電流値（ＣＵＲＲ）、タイムスケール（ＰＵＬＳＥ）、ＷＯＲＫモードでのステップ数（ＳＴＥＰ）、ショット出力の周波数（ＦＲＥＱ）、ショット出力に関する（ＣＯＵＮＴ）、および設定時間（ＴＩＭＥＲ）がある。これらのメインパラメータの設定範囲および設定分解能は図４にそれらと同じ行に示している通りである。設定範囲は設定分解能に従い、実際に必要な範囲をカバーして実用でない範囲を外したものである。従って、最小値、最大値に臨界的な意味はない。
【００４６】
波形設定モード（ＷＡＶＥＦＯＲＭ ＭＯＤＥ）では、ＰＬＳモードかＷＯＲＫモードかを設定する。ＷＯＲＫモード番号（ＷＯＲＫ ＮＯ）はＷＯＲＫモードを設定する加工対象の種類を示す番号を設定し、波形番号（ＷＡＢＥ ＮＯ）は加工対象の種類毎に設定した個別の波形番号を設定する。波形番号の設定があるとメモリに予め格納された対応する波形データ、繰り返し周波数、カウント値、タイムスケール値を読み出す。例えばコントローラ１２の外部または内部スタートにて、設定されたＷＯＲＫ番号のＷＡＶＥ ＮＯ．１〜２１を自動で切り替えながら出力する。そして、ＮＯ．２１に達したらＮＯ．１に戻り繰り返し出力する。電流値（ＣＵＲＲ）は制御モードがＰＬＳモードの場合、設定された電流値にて出力を行う。ＷＯＲＫモードの場合は設定されたステップ電流値にて出力を行う。タイムスケール（ＰＵＬＳＥ）は設定されたパルス幅ＰＷにて出力を行うが、ＷＯＲＫモード時には０．１ｍＳ×ステップ数×タイムスケール値にて決定する。ＷＯＲＫモードでのステップ数（ＳＴＥＰ）は、制御モードがＷＯＲＫモードでのステップ数で、ステップ数だけステップ毎の電流値にて連続に出力するもので、各ＷＡＶＥ ＮＯの波形毎に出力を行う。ショット出力Ｐの周波数（ＦＲＥＱ）は設定された繰り返し周波数にて出力を繰り返す。ショット出力に関する（ＣＯＵＮＴ）はＰＬＳモードで動作モードがＣＯＵＮＴの場合、設定されたカウント値を出力して停止する。ＷＯＲＫモードで動作モードがＣＯＵＮＴの場合、設定されたカウント値を出力する。スタートしてからの総カウント数がＷＯＲＫ ＣＯＵＮＴ設定値に達したら途中で停止する。設定時間（ＴＩＭＥＲ）は動作モードがＴＩＭＥＲの場合、設定されたタイマー値だけ出力して停止する。
【００４７】
なお、タイムスケール（ＴＩＭＥ ＳＣＡＬＥ）は、制御モードがＷＯＲＫの場合、設定波形の最小ステップ時間にタイムスケール値をかけたステップ時間を出力する。各々の波形に対して設定する。ＷＯＲＫモード時の全カウント値（ＷＯＲＫ ＣＯＵＮＴ）は、ＷＯＲＫモードで動作モードがＣＯＵＮＴの場合、設定されたカウント値を出力して停止する。設定カウントが少ないと途中の波形で停止する。
【００４８】
このようなメインパラメータを設定するのに、メイン画面３１では、設定パラメータの表示画面３１ａと動作パラメータの表示画面３１ｂとが上部左右にあり＊印の位置に入力に従い設定数値が表示される。メイン画面３１の下辺部に沿って各種の設定操作キーが並んでいる。設定操作キーには図３に示すように、ＰＡＲＡキー３２、ＭＯＤＥキー３３、ＦＵＮキー３４、ＥＸＴキー３５、ＳＩＭＲキー３６、ＴＲＩＧキー３７、ＳＨＵＴキー３８、ＳＴＲＴキー３９、およびＳＴＯＰキー４０が設けられている。
【００４９】
ＰＡＲＡキー３２は電源コントロール用のパラメータの設定を行う。ただし、ＳＨＯＴ ＳＥＬＥＣＴ（ＦＵＮＣ画面）の設定がＲＡＴＥ ＩＮ／ＯＵＴの場合、ＲＡＴＥ ＩＮ／ＯＵＴパラメータの設定を行う。ＭＯＤＥキー３３は動作モードの変更を行う。ＦＵＮキー３４はショットカウンタのクリア、パワー変動異常値、ＰＯＷＥＲ ＦＢ（フィードバック）の設定、ＳＨＯＴ ＳＥＬＥＣＴの設定、ＵＰ／ＤＵＮキーの設定、補正値ＴＫの設定を行う。ＥＸＴキー３５は操作モード、外部シャッタモードの変更を行う。ＳＩＭＲキー３６はシマー制御を行う。ＴＲＩＧキー３７はトリガ出力を行う。ＳＨＵＴキー３８は固体レーザ発振器の動作を停止させるシャッターの制御を行う。ＳＴＲＴキー３９は操作モードがＩＮＴモードのとき、出力の開始を行う。ＳＴＯＰキー４０は操作モードがＩＮＴモードのとき、出力の停止を行う。
【００５０】
次に、メイン画面３１での今１つのＦＵＮＣキー４１を操作すると、図３のメイン画面３１が図示しないＦＵＮＣ画面になり、図５に示すようなパワー上限に関する「ＯＶＥＲ ＥＮＥＲＧＹ」、パワー下限に関する「ＵＮＤＥＲ ＥＮＥＲＧＹ」、パワーフィードバック制御モードを設定する「ＰＯＷＥＲ ＦＢ」、キャリブレーションモードを設定する「ＣＡＬ ＳＷ」、パワーフィードバック制御時の補正係数「ＦＢ Ｋ」、パワーフィードバック制御時の補正係数の変化率「ＦＢ ＲＡＴＥ」、パワーフィードバック制御時の励起ランプ２の特性に関する「ＷＡＲＮＩＮＧ１、２」、キャリブレーション時のＷＯＲＫ ＴＡＣＴ時間周期「ＷＯＲＫ１〜４ ＴＡＣＴ」、キャリブレーション時の１サイクル平均生データをパワー換算するための定数「ＷＫ１〜４」、設定電流出力時の補正係数「ＴＫ」などのパワーフィードバックパラメータが表示され、各パラメータ項目の横に表示される図示しない「ＰＵＳＨ」キーを操作することによりそれらパラメータの変更を可能にする。
【００５１】
「ＯＶＥＲ ＥＮＥＲＧＹ」、「ＵＮＤＥＲ ＥＮＥＲＧＹ」はパワーの変動に対する異常判定の上限値と下限値を設定する。「ＰＯＷＥＲ ＦＢ」はパワーフィードバック制御モードを設定するもので、これがＯＮのときパワーフィードバック制御を行う。「ＣＡＬ ＳＷ」はキャリブレーションを設定するもので、これがＯＮのときにキャリブレーションモードになる。キャリブレーションモードになると、強制的にＩＮＴモード、ＷＯＲＫモード、ＣＯＵＮＴモードに設定され、パワーフィードバック制御時の補正係数は「ＦＢ Ｋ」の設定値にリセットされる。これらのモードを変更すると強制的にＣＡＬ ＳＷはＯＦＦとなり、キャリブレーションモードが終了する。
【００５２】
パワーフィードバック制御中において、励起電流Ｉと出力Ｐとの相関性が変化するとき、この変化割合に応じて前記補正係数「ＦＢ Ｋ」を所定比率変化させて設定し直すための変化率「ＦＢ ＲＡＴＥ」を設定する。「ＷＡＲＮＩＮＧ１、２」はパワーフィードバック時の励起ランプ２の劣化判定のために設定するもので、ＷＡＲＮＩＮＧ１は劣化注意出力値、ＷＡＲＮＩＮＧ２は劣化異常出力値である。「ＷＯＲＫ１〜４ ＴＡＣＴ」はキャリブレーションモード時に設定されたＷＯＲＫ ＴＡＣＴ時間周期で１サイクル動作（ＣＯＵＮＴモード出力動作）を１０回行う。これは加工対象毎に行う。「ＷＫ１〜４」はキャリブレーションモード時に、１サイクルの平均生データをパワー換算するための定数であるので、加工対象の種類毎に設定する。キャリブレーションモード中は、メイン画面３１に換算した１サイクル中の平均パワーＭＰと３〜２０サイクルの平均パワーＳＭＰを表示する。なお、この時のパワー表示値はＷＫ×２０．４×入力電圧（Ｖ）である。
【００５３】
パワー変動異常はパワーモニタの値がＦＵＮＣ画面で設定されたＯＶＥＲ ＥＮＥＲＧＹ設定値より大きい、またはＵＮＤＥＲ ＥＮＥＲＧＹ設定値よりも小さい場合は、設定範囲外として異常と判断し、出力をＯＮする。出力停止中の場合は、出力をＯＦＦし、出力ＯＮ時にメイン画面に「ＰＯＷＲＥ ＥＲＲ」を表示する。
【００５４】
パワーメータの取り込みタイミングについては出力パルスの０．２５ｍＳ後より表示を行う。表示更新タイミングについては５００ｍＳなので、約１２０Ｈｚの周波数で出力すれば６４データの平均が取れる。周波数が低い場合、５００ｍＳ間で計測された回数で平均する。５００ｍＳの間にパルスが無い場合、前回の情報を保持し、３秒間パルスが無い場合に０にする。周波数が早い場合、最新の６４データを使用して表示する。０．２５ｍＳ＋（０．２５ｍＳ×７回）の間に次のパルスが入った場合、そのパルスは間引く。
【００５５】
次に、パワーモニタ１３で計測されたパワーに比例する電圧からエネルギを求める計算について説明する。パルスＹＡＧレーザのような固体レーザ１は、図６の閾値電流Ｉｄを超えて発振するが、閾値Ｉｄ付近では二次関数的に増加する。よって閾値１ｄ以上での相関域Ｂ、Ｃに対応した２つの直線近似式の交点Ｄを境にパワー計算を分離して行う。交点Ｄの入力電圧値をＶＯＬＴＱとすると、パルスのパワー（ＥＮＥＲＧＹ）は、０（Ｖ）＜ＶＯＬＴ１≦ＶＯＬＴＱのときＥＮＥＲＧＹ１＝（ＶＯＬＴ１−ＯＦＦＳＥＴ１）×Ｋ１×ＰＢ（ｍＳ）×２０、ＶＯＬＴＱ≦ＶＯＬＴ２＜１．９９９（Ｖ）のとき、ＥＮＥＲＧＹ２＝（ＶＯＬＴ１，２）＝入力電圧（０．０００Ｖ〜１．９９９Ｖ）、Ｋ１，２＝キャリブレーション値（０．００１〜９９．９９９）である。平均パワー（ＰＯＷＥＲ）は０（Ｖ）＜ＶＯＬＴ１≦ＶＯＬＴＱのとき、ＰＯＷＥＲ＝ＥＮＥＲＧＹ＝ＥＮＥＲＧＹ１×周波数、ＶＯＬＴＱ≦ＶＯＬＴ２＜１．９９９（Ｖ）のとき、ＰＯＷＥＲ＝ＥＮＥＲＧＹ２×周波数となる。キャリブレーション設定値、およびＯＦＦＳＥＴ設定値は実際のパワーモニタを用いてキャリブレーションを行う。なお、交点Ｄの入力電圧値が０．０００Ｖ以下、１．９９９Ｖ以上になる場合、および交点Ｄがない場合はパワーモニタ表示を０Ｗ、０Ｊとする。また、ＯＦＳＥＴ１＝ＯＦＦＳＥＴ２、Ｋ１＝Ｋ２とした場合、１つの直線近似式として計算する。
【００５６】
ここで、前記フィードバック制御に先立って行うキャリブレーションについて説明する。従来とは異なり、最初に生産動作条件でパワーキャリブレーションを行い、生産中も安定した固定パワーを求める。まず、キャリブレーションを行う機種（ＷＯＲＫ ＮＯ．）を設定し、ＦＵＮＣ画面のＣＡＬ ＳＷをＯＮにする。これによりキャリブレーションモードとなり、強制的にＩＮＴモード、ＷＯＲＫモード、ＣＯＵＮＴモードに設定される。なお、これらのモードを変更すると強制的にＣＡＬ ＳＷはＯＦＦとなり、キャリブレーションモードが終了する。
【００５７】
次に、ＦＵＮＣ画面のＦＢ Ｋを設定する。ＦＢ Ｋはパワーフィードバック時の補正係数基準値で、キャリブレーション時はこの基準値で出力する。パワーフィードバック時はこの補正基準値を変化させる。続いてＦＵＮＣ画面のＦＢ ＬＡＴＥを設定する。パワーフィードバック時１０サイクル出力毎に補正係数ＫをＦＢ ＲＡＴＥの割合で変化させる。
【００５８】
次いで、ＷＯＲＫ ＴＡＣＴを設定し、キャリブレーション時機種（ＷＯＲＫＮＯ）ごとに設定されたＷＯＲＫ ＴＡＣＴ時間周期で１サイクル動作（ＣＯＵＮＴモード出力動作）を１０回行う。これは１サイクル時間より長めに設定して行う。続いて、ＦＵＮＣ画面のＷＫを設定する。ＷＫは１サイクルの平均データをパワー換算するための定数で、機種（ＷＯＲＫ ＮＯ）毎に設定する。キャリブレーション中はメイン画面に換算した１サイクルの平均パワー（ＭＰ）と３〜１０サイクルの平均パワー（ＳＭＰ）を表示する。ここでのパワー表示値はＷＫ×２０．４×入力電圧（Ｖ）である。
【００５９】
以上は手操作にてキャリブレーションを行ったが、以下に自動でキャリブレーションを行う場合について説明する。ＣＡＬ ＳＷをＯＮにすると外部シャッタは強制的に閉となり、メイン画面３１のＳＨＵＴキー３８が無効となる。この状態でメイン画面３１のＳＴＲＴキー３９をＯＮすると設定された機種（ＷＯＲＫＮＯ）でのシーケンシャル波形制御を順次に自動的に行う。１サイクル動作（ＣＯＵＮＴモード出力動作）終了後、設定されたＷＯＲＫ ＴＡＣＴ周期に達すると出力Ｗを停止し、再スタートする。その際、１、２サイクルのデータは無視され、３〜２０サイクルの積算生データの１サイクル平均値をパワーフィードバックの基準値としてメモリに保存する。機種（ＷＯＲＫ ＮＯ）毎にキャリブレーション動作をすると、機種（ＷＯＲＫ ＮＯ）毎のパワーフィードバック基準値がメモリに保存される。
【００６０】
キャリブレーション動作が終了すると（１サイクルの動作を２０回出力すると）ＣＡＬ ＳＷはＯＦＦになり、通常のメイン画面３１を表示する。キャリブレーション中に停止した場合、ＣＡＬ ＳＷはＯＮのままとなるので、再度、キャリブレーション動作を行う。サンプリングは、出力パルスの０．２５ｍＳ後から０．２５ｍＳ毎に７回計測し、１サイクル全てのデータを積算する（最大積算約１５Ｓ）。なお、パワーメータのサンプリングデータを使用する。
【００６１】
以上のキャリブレーション動作による計測、データ作成に基づく加工動作においてパワーフィードバック制御を行う場合の実施例について説明する。ＦＵＮＣ画面でのＣＡＬ ＳＷをＯＦＦ、ＰＯＷＥＲ ＦＢをＯＮにする。これによりパワーフィドバック機能が有効になる。ただし、ＷＯＲＫモード、ＣＯＵＮＴモード時有効とし、他のモードではパワーフィードモードは無効とする。パワーフィードバックモード時の電流値は、メイン画面３１に表示されているパワー補正係数Ｋと設定電流値（ＰＯＷＥＲ ＦＦ等の補正値を考慮した値）をかけた値となる。なお、電流値は７５０Ａでクリップされる。ＦＵＮＣ画面内のＴ．ＣＯＵＮＴＥＲをリセットした場合、およびＦＢ Ｋ設定値を変更した場合、ＣＡＬ ＳＷをＯＮにした場合は、パワー補正係数ＫはＦＢ Ｋ設定値にリセットされる。
【００６２】
１サイクル動作（ＣＯＵＴモード出力動作）を１０回行う毎に、１０サイクルの積算平均値が、ＰＯＷＥＲ ＦＢ基準値±ＦＢ ＲＡＴＥ設定値以内ならパワー補正係数Ｋは変化しない。設定値以上の場合はパワー補正係数ＫをＦＢ ＲＡＴＥ設定値分変化させる。つまり、１０サイクルの積算平均値＜ＰＯＷＥＲ ＦＢ基準値×（１００％＋ＦＢ ＲＡＴＥ設定値）の場合Ｋ＝Ｋ−（ＦＢ ＲＡＴＥ設定値／１００）となり、１０サイクルの積算平均値＜ＰＯＷＥＲ ＦＢ基準値×（１００％−ＦＢ ＲＡＴＥ設定値）の場合、Ｋ＝Ｋ＋（ＦＢ ＲＡＴＥ設定値／１００）となる。
【００６３】
続いて、出力Ｐの波形をジュール換算して出力が目標ジュールとなるようにするジュールフィードバック（Ｊ−ＦＢ）機能について説明する。ジュールフィードバック制御時、電源コントローラ１２は１ショット出力する毎に高速ＡＤ変換ユニット１６へトリガ信号を出力する。高速ＡＤ変換ユニット１６はトリガ信号を受信するとパワーモニタ１３からの信号を計測開始し、パルス幅ＰＷ＋５００μＳ間のエネルギ積算を行う。計測終了後、積算データをコントローラ１２へ送信する。電源コントローラ１２は積算データを受信するとそれをジュール換算し、換算値と波形毎に設定された基準値を比較して、次のショット出力の電流値を補正する。なお、ジュールフィードバック制御を使用する場合の仕様制限は下記の通りとなる。
【００６４】
動作モードはＰＡＲＡキー３２によるＣＯＵＮＴモード、ＭＯＤＥキー３３によるＷＯＲＫモード、ＣＡＬ ＳＷ、ＰＯＷＥＲ ＦＢは共にＯＦＦ、ＪＯＵＬＥ ＦＢはＯＮ、また、（パルス幅ＰＢ＋５μＳ）＜（１／繰り返し周波数）である。なお、ジュールフィードバック制御はＣＯＵＮＴモード、ＷＯＲＫモードで使用するものとし、ＳＩＮＧＬＥ、ＲＥＰＥＡＴ、ＴＩＭＥＲ、またはＰＬＳモードに設定されている場合は、ＪＯＵＬＥ ＦＢの設定がＯＮでもジュールフィードバック制御は無効となる。このとき、ＪＯＵＬＥ ＦＢの設定をＯＮにすると、ＣＡＬ ＳＷ、ＰＯＷＥＲ ＦＢの設定は強制的にＯＦＦとなる。逆に、ＣＡＬ ＳＷ、ＰＯＷＥＲ ＦＢの設定をＯＮにすると、ＪＯＵＬＥ ＦＢの設定は強制的にＯＦＦとなる。
【００６５】
ここで、ジュールフィードバック制御時の補正係数Ｋについて説明する。波形毎に設定したジュール基準値Ｊに対して計測値との差ΔＪで次のショット出力時の補正係数Ｋを以下のように設定する。
【００６６】
１ショット目 Ｋ１＝ＴＫ×ＪＫ
２ショット目 Ｋ２＝Ｋ１×（１−ΔＪ１／Ｊ１）
３ショット目 Ｋ３＝Ｋ２×（１−ΔＪ２／Ｊ２）
また、ジュールフィードバック時のパラメータは次の通りである。ＪＯＵＬＥ（ＰＡＲＡキー３２）はＪＯＵＬＥ ＦＢの設定がＯＮのときに有効。ジュールフィードバック制御時のジュール基準値で、各波形毎に設定する。設定範囲は０．００〜９９．９９Ｊ（分解能０．１Ｊ）である。ＪＫはスタート時の変動制御値であり、ジュールフィードバックによる補正係数の変動比率が設定値よりも大きい場合は、設定値で変動する。０％設定時は変動しない。設定範囲は０〜１００％（分解能１％）である。ＪＯＵＬＥ ＣＡＬＢＲＡＴＩＯＮ（ＦＵＮＣキー３４）は、ジュール換算係数。高速ＡＤ変換ユニット１６から送信されたエネルギー積算データをジュール値に換算する。制御に使用する値は、この値にオフセット設定値を考慮した値となる。実際にはパルス幅ＰＷが１ｍＳ、パワーモニタ１３の入力１Ｖ、換算係数１．０００で約２Ｊとしている。設定範囲は０．００１〜９９．９９９（分解能０．００１）。ＰＯＷＥＲ ＡＶＥ ＣＴはパワー値の変動平均回数設定値。パワー値はジュール測定値に周波数をかけた値となる。設定範囲は１〜１０ＣＴ（分解能１Ｃ）とした。なお、外部ＩＯに対してはジュールフィードバック制御時はパワーフィドバック制御時と同様に、ランプ劣化注意、ランプ劣化異常、パワー変動異常の信号を出力する。メイン画面ではジュールフィードバック制御時はパワーフィドバック制御時と同様に、ランプ劣化注意は「ＷＡＲＮＩＮＧ」、パワー変動異常時は「ＰＯＷＥＲ」を表示する。また、計測したジュール値と波形毎に設定されたジュール基準値の比をグラフ表示する。４ショット出力の平均値を１ドット表示する。各波形毎の設定ジュールの変動比率（現在の波形の設定値と次の波形の設定値との比）をｒ＝＊＊＊＊として表示する。
【００６７】
なお、上記において各種動作パラメータの数値を使用しているが、他の数値でも同様なパワーフィードバック制御やジュールフィードバック制御ができるのは勿論である。
【００６８】
【発明の効果】
本発明の固体レーザ発振器の出力安定方法、装置の１つの特徴によれば、励起電流を出力との関係式に基づき制御して固体レーザからの出力にて加工を行うのに、加工時の繰り返しショット出力につき所定の出力回数分ずつの平均出力波形を求める。これはその所定出力回数分に応じた時間単位での励起電流に対する出力波形の平均的な実績評価となり、次の実績評価時点までの間に繰り返す各ショット出力について、前記評価した平均波形が目標波形となる拡大、縮小係数に基づき励起電流を制御するので、出力を精度よく安定させられる。特に、ランプの劣化など経時的に徐々に進行するような変化に対応するのに好適である。しかも、この制御はフィードバック制御となるが前記所定出力回数分の時間単位の余裕を持って行なえるので制御遅れによるハンチングはもとより、目標出力からほぼ外れることはなく前記出力の安定は損なわれない。
【００６９】
本発明の別の特徴の電流型固体レーザ発振器の出力安定方法と装置によれば、励起電流に対する固体レーザ発振器の出力の関係を、加工時に繰り返えされるショット出力単位のエネルギによって計測して、これが目標エネルギになる拡大、縮小係数に基づき次のショット出力に対する励起電流を制御をするので、設定した波形を特に変化させることなくエネルギに過不足がないように出力を安定させられる。また、この制御は前のショット出力について行った計測を次のショット出力の電流制御に生かすショット出力単位のリアルタイムフィードバック制御となるので、もし加工時の生産タクトが変化することにより固定レーザ発振器の熱レンズ効果やミラー平行度に変動が生じてもこれの影響に対しリアルタイムに対応して出力を精度よく安定させられる。しかも、このリアルタイムフィードバック制御はショット出力が行われる加工時の生産タクト周期分だけの余裕を持って行えるので、従来のショット出力中の刻々と変化する出力をリアルタイムにフィードバック制御する場合のような制御遅れによるハンチングが生じることはなく、出力を高精度に安定させられる。また、加工に必要なショット出力の目標エネルギの設定があれば、初回のショット出力が目標エネルギを満足するような関係になくても、言い換えるとそのような関係を予め計測して設定しておくような手間を省略しても、初回のショット出力にて計測した関係から次のショット出力が目標エネルギになる励起電流と出力との適正な関係を得て設定通りの出力にて加工ができるようにするので、加工が不良となる確立の高い初回のショット出力だけをダミーとする簡単な対応にて短時間に立ち上げることができる。なお、ショット出力が一旦適正となった後これが崩れる変動周期がショット出力の出力周期よりも長い場合は、変動周期内の最大出力回数に対応するショット出力毎の計測に基づき、その間の各ショット出力のフィードバック制御を行うようにしても同様な出力の安定が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る固体レーザの出力安定装置の１つの例を示すブロック構成図。
【図２】図１の装置の動作波形図。
【図３】図１の装置の動作画面表示を行うメイン画面図。
【図４】図３のメイン画面での設定パラメータ表。
【図５】パワーフィードバック制御に関連するパラメータ表。
【図６】励起電流と出力との相関性を模式的に示すグラフ。
【図７】アルミニウム溶接時の出力波形。
【図８】従来のパワーフィードバック制御装置を示すブロック構成図。
【図９】従来のパワーフィードフォーワード制御装置の制御例を示す励起電流と出力とのグラフ。
【符号の説明】
１ 固体レーザ
２ 励起ランプ
３ レーザ光
４ 出力ミラー
５ リアミラー
６ パワーユニット
１２ コントローラ
１３ パワーモニタ
１４ 出力算出手段
１５ 制御手段
１６ 高速ＡＤ変換ユニット
Claims (9)
- 加工時の繰り返しショット出力につき、所定の出力回数分ずつの平均出力波形を求めることを繰り返し、１回の平均波形を求めた都度、求めた平均波形が目標波形となる拡大、縮小係数を基に、次の平均波形を求めるまでの間の繰り返しショット出力時の励起電流を制御することを特徴とする固体レーザ発振器の出力安定方法。
- 予め計測し登録した固体レーザの励起電流と出力との関係式と目標波形に基づき、前記励起電流を制御して固体レーザからの所定の出力にて加工を繰り返す固体レーザ発振器の出力安定装置であって、
加工時の固体レーザからの繰り返しショット出力を計測する計測手段と、この計測手段によって所定回数のショット出力が計測される都度その平均波形を求める出力算出手段と、この出力算出手段によって平均波形が求められる都度、次の平均波形が算出されるまでの間の繰り返しショット出力時に、前記求められた平均波形が目標波形となる拡大、縮小係数を基に前記励起電流を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする固体レーザ発振器の出力安定装置。 - 登録は、加工時の生産タクト周期での所定回数のショット出力についての平均値から求めた関係式につき行なう請求項２に記載の固体レーザ発振器の出力安定装置。
- 固体レーザを励起するランプの交換時は、再度計測して得た関係式を登録して用いる請求項２または３に記載の固体レーザ発振器の出力安定装置。
- 加工時の繰り返しショット出力における所定回数目ごとのショット出力波形を計測してエネルギ変換し、変換されたエネルギが所定のエネルギになる拡大、縮小係数を基に、次の所定回数目までのショット出力時の励起電流を制御することを特徴とする固体レーザ発振器の出力安定方法。
- 固体レーザの１ショット目の出力エネルギと定常時の出力エネルギとの熱レンズ効果による比を予め計測しておき、この比を基にした定常時の出力エネルギとなる拡大、縮小係数に基づき、以降の所定回目までのショット出力時の励起電流を制御する請求項５に記載の固体レーザ発振器の出力安定方法。
- 励起電流を出力との関係式に基づき制御して固体レーザからの所定の出力にて加工を繰り返す固体レーザ発振器の出力安定装置であって、
加工時の固体レーザからの繰り返しショット出力における所定回数目ごとの出力波形を計測する計測手段と、この計測手段によって計測された出力波形から出力エネルギを算出する出力算出手段と、この出力算出手段によって算出された出力エネルギに基づき次の所定回数目までのショット出力時に目標エネルギになる拡大、縮小係数を基に、前記励起電流を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする固体レーザ発振器の出力安定装置。 - 計測手段はリアミラー部を介し出力を計測する請求項２〜４、７のいずれか１項に記載の固体レーザ発振器の出力安定装置。
- レーザ出力を集光レンズを用いて光ファイバに入射させるのに、戻り光防止ファイバを用いた請求項２〜４、７、８のいずれか１項に記載の固体レーザ発振器の出力安定装置。
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