JP2015015323A - レーザ装置及びレーザ出力制御方法 - Google Patents

レーザ装置及びレーザ出力制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】レーザ発振器の応答時間を短縮すると共にレーザ光の出力を設定出力に安定化させることができるレーザ装置及びレーザ出力制御方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るレーザ装置10を用いたレーザ出力制御方法では、フィードバック制御部46において、出力部44から出力された設定信号Ssとレーザ光Lの出力を測定する測定部42から出力された測定信号Smとに基づいてレーザ光Lの出力が設定出力Paとなるようなフィードバック信号Sfを出力する。そして、設定信号Ssとフィードバック信号Sfとに基づいてレーザ制御信号Slを演算部48で演算し、レーザ発振器18がレーザ制御信号Slに基づいてレーザ光Lを発振する。
【選択図】図1

Description

本発明は、設定出力のレーザ光を出射するレーザ装置及びレーザ出力制御方法に関する。
従来、レーザ光の設定出力に対応した設定信号を出力する出力部と、前記設定信号に基づいてレーザ光を発振するレーザ発振器とを備えたレーザ装置が広汎に知られている。一般的に、レーザ発振器から発振されるレーザ光の出力は、レーザ発振器の温度変化や経時変化によって変動する。そのため、このようなレーザ装置では、レーザ光の出力が設定出力に安定しないことがあった。
そして、レーザ光の出力を設定出力に安定化させる方法として、レーザ光の出力を測定し、当該レーザ光の出力が設定出力となるようにフィードバック制御する技術的思想が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2007−190566号公報
ところで、上述したフィードバック制御を行うレーザ装置において、レーザ光の出力を測定する測定部から出力された測定信号と設定信号に基づいてフィードバック信号を算出して出力するフィードバック制御部を備えることがある。そして、このレーザ装置では、レーザ発振器がフィードバック信号に基づいてレーザ光を発振することにより、レーザ光の出力を設定出力に安定化させることができる。
また、この種のレーザ装置では、フィードバック制御としてPI制御又はPID制御を行うことがある。この場合、制御ゲイン(比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲイン)は、レーザ発振器の応答性に基づいて定められる。ここで、レーザ発振器の応答性はレーザ光の設定出力の大きさによって異なる。そのため、制御ゲインは、レーザ発振器の応答性が最も悪い設定出力であっても、ハンチングやオーバーシュート(ハンチング等と称することがある。)が十分に抑制されるような大きさに設定する必要がある。
しかしながら、この場合、制御ゲインが比較的小さくなるため、レーザ発振器に信号(フィードバック信号)が入力されてからレーザ光の出力が設定出力に安定するまでに要する応答時間が長くなるという不都合がある。
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、レーザ発振器の応答時間を短縮すると共にレーザ光の出力を設定出力に安定化させることができるレーザ装置及びレーザ出力制御方法を提供することを目的とする。
[1] 本発明に係るレーザ装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、前記レーザ光の設定出力に対応した設定信号を出力する出力部と、前記レーザ光の出力を測定して当該レーザ光の測定出力に対応した測定信号を出力する測定部と、前記設定信号と前記測定信号とに基づいて前記レーザ光の出力が前記設定出力となるようなフィードバック信号を算出して出力するフィードバック制御部と、前記設定信号と前記フィードバック信号とに基づいてレーザ制御信号を演算して出力する演算部と、を備え、前記レーザ発振器は、前記レーザ制御信号に基づいて前記レーザ光を発振する、ことを特徴とする。
本発明に係るレーザ装置によれば、設定信号とフィードバック信号とに基づいてレーザ制御信号を演算しているので、レーザ発振器にレーザ制御信号が入力されてからレーザ光が発振されるまでの遅れ時間を短縮することができる。そして、レーザ発振器の遅れ時間が短縮化されると、ハンチング等が発生する制御ゲインの限界値が上昇するので、当該制御ゲインの設定値を上昇させることが可能となる。制御ゲインの設定値を上昇させると、レーザ発振器がレーザ光の発振を開始してからレーザ光の出力が設定出力に安定するまでの立ち上がり時間が短くなる。従って、レーザ発振器の応答時間(遅れ時間+立ち上がり時間)を短縮することができる。また、フィードバック制御を行うため、レーザ光の出力を設定出力に安定化させることができる。
[2] 上記のレーザ装置において、前記出力部、前記フィードバック制御部及び前記演算部は、前記レーザ光の最大出力時に前記設定信号、前記フィードバック信号及び前記レーザ制御信号のそれぞれの大きさが互いに等しくなるように設定されており、前記演算部は、前記設定信号をSs、前記フィードバック信号をSf、前記レーザ制御信号をSl、所定の係数をk(0<k<1)としたとき、Sl=k×Ss+(1−k)×Sfにより前記レーザ制御信号Slを演算してもよい。
このような構成によれば、出力部から設定信号が出力された時に、設定信号の所定割合kの大きさのレーザ制御信号をレーザ発振器に入力することができる。これにより、レーザ発振器の遅れ時間を効率的に短縮することができる。また、設定出力の大きさにかかわらず、ハンチング等を発生させることなくレーザ光の出力を設定出力に安定化させることができる。
[3] 上記のレーザ装置において、0.3≦k≦0.9を満足していてもよい。この場合、レーザ発振器の応答時間を効率的に短縮すると共にレーザ光の出力を設定出力に一層安定化させることができる。
[4] 上記のレーザ装置において、前記測定部が前記レーザ発振器に内蔵されていてもよい。この場合、レーザ装置の小型化を図ることができる。
[5] 上記のレーザ装置において、前記フィードバック制御部は、PI制御又はPID制御によって前記フィードバック信号を算出してもよい。この場合であっても、レーザ発振器の応答時間を短縮することができる。
[6] 本発明に係るレーザ出力制御方法は、レーザ発振器から発振されるレーザ光の設定出力に対応した設定信号を出力部から出力するステップと、前記レーザ光の出力を測定部で測定して当該レーザ光の測定出力に対応した測定信号を当該測定部から出力するステップと、前記設定信号と前記測定信号とに基づいて前記レーザ光の出力が前記設定出力となるようにフィードバック信号をフィードバック制御部で算出して出力するステップと、前記設定信号と前記フィードバック信号とに基づいてレーザ制御信号を演算部で演算して出力するステップと、前記レーザ制御信号に基づいて前記レーザ発振器から前記レーザ光を発振するステップと、を行う、ことを特徴とする。
本発明に係るレーザ出力制御方法によれば、レーザ発振器の応答時間を短縮すると共にレーザ光の出力を設定出力に安定化させることができる。
本発明によれば、設定信号とフィードバック信号とに基づいてレーザ制御信号を演算しているので、レーザ発振器の応答時間を短縮すると共にレーザ光の出力を設定出力に安定化させることができる。
本発明の一実施形態に係るレーザ装置のブロック図である。 図1に示すレーザ発振器のブロック図である。 レーザ出力制御方法を説明するためのタイミングチャートである。 図4Aはレーザ光の出力の時間変化を示したグラフであり、図4Bは比較例に係るレーザ光の出力の時間変化を示したグラフである。
以下、本発明に係るレーザ装置について、当該レーザ装置を用いたレーザ出力制御方法との関係で、好適な実施形態を例示し、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態に係るレーザ装置10は、設定出力のレーザ光Lを安定して出射するものであって、例えば、ワークの加工(切断、溶接、マーキング等)や半田付け等に用いられる。レーザ装置10は、図1に示すように、レーザ光Lを出射するレーザ装置本体12と、前記レーザ光Lの出力を測定するための測定光学系14と、レーザ光Lの出力を制御する制御部16とを備える。
レーザ装置本体12は、レーザ光Lを発振するレーザ発振器18と、レーザ発振器18から発振されたレーザ光Lを伝送する伝送ファイバ20と、伝送ファイバ20から出射されたレーザ光Lを平行化するコリメートレンズ22とを有する。
図2に示すように、レーザ発振器18は、励起光を出射するLDユニット24と、前記励起光に基づいてレーザ光Lを発振するアクティブファイバ26と、アクティブファイバ26の両側に配設された一対の反射素子28、30とを含む。
LDユニット24は、LD電源32と、LD電源32から供給される駆動電流に基づいて励起光を出射する複数のLD34と、各LD34から導かれた励起光を結合するコンバイナ36とを有する。LD電源32は、制御部16から入力される信号(後述するレーザ制御信号Sl)に対応した大きさの駆動電流を各LD34に供給する。各LD34は、いわゆるFC−LD(ファイバーカップリングレーザーダイオード)として構成されている。すなわち、各LD34には、当該LD34から励起光を取り出すための取出用光ファイバ34aが結合されており、これら取出用光ファイバ34aの出射側端部がコンバイナ36に結合されている。
詳細な図示は省略するが、アクティブファイバ26は、Yb等の希土類元素イオンがドープされたコアを含んだ光ファイバであって、励起光によって前記希土類元素イオンが励起されることによりレーザ光Lを発振する。なお、アクティブファイバ26をいわゆるダブルクラッドファイバとして構成すると、レーザ光Lを効率的に発振させることが可能である。
一対の反射素子28、30は、アクティブファイバ26から発振されたレーザ光Lを増幅させる。コンバイナ36側に位置する反射素子28は、コンバイナ36からアクティブファイバ26に向かう励起光が通過すると共にレーザ光Lが全反射するように構成されている。伝送ファイバ20側に位置する反射素子30は、レーザ光Lの一部が反射すると共に当該レーザ光Lの残余が通過するように構成されている。
本実施形態では、各反射素子28、30は、FBG(Fiber Bragg Grating)として構成されている。この場合、各反射素子28、30をミラーで構成した場合と比較して効率的にレーザ光Lを発振させることができる。ただし、各反射素子28、30は、ミラーで構成してもよいことは勿論である。
上記のように構成されるレーザ発振器18では、例えば、915nm〜980nmの励起光を用いて1070nmのレーザ光Lを発振する。なお、励起光及びレーザ光Lの波長は任意に設定可能である。
図1から諒解されるように、測定光学系14は、コリメートレンズ22で平行化されたレーザ光Lを分岐するための分岐ミラー38と、分岐されたレーザ光Lを集光する集光レンズ40と、集光レンズ40にて集光されたレーザ光Lを受光する測定部(パワーモニタ)42とを有する。分岐ミラー38の反射率は、例えば、1%程度に設定されている。分岐ミラー38を透過したレーザ光Lは、溶接、マーキング等といった加工や半田付け等に用いられる。
測定部42は、例えば、フォトダイオードを含んで構成されており、受光されたレーザ光Lの出力を測定して当該レーザ光Lの測定出力に対応した測定信号Smを出力する。ここで、測定信号Smは、アナログ電圧信号であり、後述する設定信号Ss、フィードバック信号Sf、レーザ制御信号Slについても同様である。ただし、測定信号Sm、設定信号Ss、フィードバック信号Sf、レーザ制御信号Slの各々は、デジタル電圧信号であっても構わない。
制御部16は、出力部(制御ボード)44、フィードバック制御部46及び演算部48を有している。出力部44は、レーザ光Lの設定出力に対応した設定信号Ssを出力する。ここで、レーザ光Lの設定出力とは、ユーザ等が図示しない操作部を介してレーザ装置10に入力するレーザ光Lの所望の出力(目標出力)を言う。
フィードバック制御部46は、設定信号Ssと測定信号Smとに基づいてレーザ光Lの出力が設定出力となるようなフィードバック信号Sfを算出して出力する。フィードバック制御部46は、例えば、PI制御又はPID制御を行う。フィードバック制御部46の制御ゲイン(比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲイン)は、任意に定めることが可能であるが、ハンチングやオーバーシュート(ハンチング等)が発生しない程度の大きさに設定される。本実施形態では、レーザ発振器18をファイバーレーザ装置として構成しているので、レーザ発振器18は、設定出力が小さいほど応答性が悪くなる。そのため、制御ゲインは、最大設定出力時に、ハンチング等が十分に抑制されるような大きさに制限されて設定される。これにより、最低設定出力時では制御ゲインが不足して応答性が悪くなる。
演算部48は、設定信号Ssとフィードバック信号Sfとに基づいてレーザ制御信号Slを演算してレーザ発振器18のLD電源32に出力する。具体的には、演算部48は、Sl=k×Ss+(1−k)×Sfの計算式を用いてレーザ制御信号Slを演算する。ここで、各信号はSl(max)=Ss(max)=Sf(max)である。このように、各信号をレーザ光Lが最大となる信号レベル(max)にスケールを合わせることとする。すなわち、出力部44、フィードバック制御部46及び演算部48は、レーザ光Lの最大出力時に設定信号Ss、フィードバック信号Sf及びレーザ制御信号Slのそれぞれの大きさが互いに等しくなるように設定されている。また、係数kは0<k<1である。ただし、係数kは、0.3≦k≦0.9を満足することが好ましく、k=0.7であることがより好ましい。
係数kが0.9よりも大きい場合には、フィードバック制御部46の制御ゲインの大きさによってはハンチング等が発生する可能性がある。また、係数kが0.3未満である場合には、レーザ発振器18の応答時間(レーザ制御信号SlがLD電源32に入力されてからレーザ光Lの出力が設定出力に安定するまでに要する時間)を十分に短縮することができないおそれがある。すなわち、k=0.7であると、レーザ発振器18の応答時間の短縮化とハンチング等の抑制とを効率的に行うことができる。
本実施形態に係るレーザ装置10は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下、このレーザ装置10を用いたレーザ出力制御方法について図3〜図4Bを参照して説明する。なお、このレーザ出力制御方法の説明では、演算部48における上述した計算式の係数kが0.7に設定されているものとする。
先ず、レーザ装置10を使用する際、ユーザは、レーザ光Lの設定出力を図示しない操作部を介してレーザ装置10に対して入力する。ここでは、設定出力をPaとする。続いて、レーザ光Lの発振開始信号が制御部16に入力されると、時点t0において、出力部44は、レーザ光Lの設定出力Paに対応する設定信号Ssを出力する(図3参照)。
このとき、レーザ発振器18からレーザ光Lが未だ発振されていないので、測定信号Sm及びフィードバック信号Sfは共に0Vである。また、演算部48は、設定信号Ssとフィードバック信号Sfに基づいてレーザ制御信号Slを演算して出力する。具体的には、演算部48は、Sl=0.7Ss+0.3Sfの計算式を用いてレーザ制御信号Slを演算する。なお、時点t0において、Sl=0.7Ssである。
そして、LD電源32には、レーザ制御信号Slが入力される。換言すれば、LD電源32には、設定信号Ssの70%の大きさの電圧信号が入力される。そうすると、LD電源32は、入力されたレーザ制御信号Slに対応する駆動電流を各LD34に供給する。これにより、各LD34から励起光が出射されてコンバイナ36で結合(合成)され、結合された励起光がアクティブファイバ26のコアを通過することにより当該アクティブファイバ26からレーザ光Lが発振される。アクティブファイバ26から発振されたレーザ光Lは、一対の反射素子28、30の間を複数回往復することにより増幅され、反射素子30を通過したレーザ光Lが伝送ファイバ20から出射される。
伝送ファイバ20から出射されたレーザ光Lは、コリメートレンズ22で平行化されて分岐ミラー38を透過してワークの加工や半田付け等に利用される。一方、分岐ミラー38で反射されたレーザ光Lは、集光レンズ40により測定部42に集光される。そして、測定部42は、当該レーザ光Lの出力に対応した測定信号Smを出力する。
ここで、図4Aから諒解されるように、本実施形態に係るレーザ装置10において、設定信号Ssが出力されてからレーザ発振器18からレーザ光Lが発振されるまでには、所定の遅れ時間(時点t0から時点t1までの期間)Taを要している。また、レーザ発振器18からレーザ光Lが発振してからレーザ光Lの出力が設定出力Paの70%の出力に到達するまでには、所定の第1立ち上がり時間(時点t1から時点t2までの期間)Tbを要している。
レーザ光Lの出力が設定出力Paの70%の出力に到達すると、残りの30%の出力分がフィードバック制御される。すなわち、時点t2において、フィードバック制御部46は、設定信号Ssと測定信号Smとに基づいてレーザ光Lの出力が設定出力Paとなるようなフィードバック信号Sfを算出して出力する。そして、演算部48は、Sl=0.7Ss+0.3Sfの計算式を用いてレーザ制御信号Slを演算して出力する。これにより、時点t3において、レーザ光Lの出力が設定出力Paに安定する。
ここで、レーザ光Lの出力が設定出力Paの70%の出力に到達してから設定出力Paに到達するまでには、所定の第2立ち上がり時間(時点t2から時点t3までの期間)Tcを要している。そして、この第2立ち上がり時間Tcにおけるレーザ光Lの出力の上昇率は、第1立ち上がり時間Tbにおけるレーザ光Lの出力の上昇率よりも小さい。そのため、レーザ光Lの出力が設定出力Paとなるときに、ハンチング等の発生を抑えることができる。
ところで、本実施形態において、仮に、演算部48を設けなかった場合、時点t0において、LD電源32に入力されるフィードバック信号Sfは0Vとなるため、図4Bの比較例のように概ね時点t2でレーザ光Lの発振が開始されることとなる。すなわち、この比較例では、レーザ発振器18の遅れ時間Tdが時点t0から時点t2までの期間となり、レーザ発振器18の立ち上がり時間Teが時点t2から時点t4までの期間となる。
一方、本実施形態によれば、設定信号Ssとフィードバック信号Sfとに基づいてレーザ制御信号Slを演算する演算部48を設けているので、レーザ発振器18の遅れ時間Taを比較例の遅れ時間Tdよりも短縮することができる。そして、レーザ発振器18の遅れ時間Taが短縮化されると、ハンチング等が発生する制御ゲインの限界値が上昇するので、当該制御ゲインの設定値を上昇させることが可能となる。つまり、本実施形態に係るフィードバック制御部46の制御ゲインの設定値を図4Bの比較例に係る制御ゲインの設定値よりも大きくすることができる。
これにより、レーザ発振器18がレーザ光Lの発振を開始してからレーザ光Lの出力が設定出力Paに安定するまでの立ち上がり時間(第1立ち上がり時間Tb+第2立ち上がり時間Tc)を比較例の立ち上がり時間Teよりも短縮することができる。従って、レーザ発振器18の応答時間を短縮することができる。また、本実施形態では、フィードバック制御が行われるので、レーザ光Lの出力を設定出力Paに安定化させることができる。
本実施形態において、演算部48は、Sl=k×Ss+(1−k)×Sfの計算式を用いてレーザ制御信号Slを演算している。これにより、出力部44から設定信号Ssが出力された時に、設定信号Ssの所定割合kの大きさ(例えば、設定信号Ssの70%の大きさ)のレーザ制御信号SlをLD電源32に入力することができる。これにより、レーザ発振器18の遅れ時間Taを効率的に短縮することができる。また、設定出力Paの大きさにかかわらず、ハンチング等を抑制してレーザ光Lの出力を設定出力Paに安定化させることができる。
本実施形態では、k=0.7であって0.3≦k≦0.9を満足しているので、レーザ発振器18の応答時間を効率的に短縮すると共にレーザ光Lの出力を設定出力Paに一層安定させることできる。
本実施形態は、上述した構成に限定されてない。例えば、測定部42は、レーザ発振器18に内蔵されていてもよい。この場合、測定光学系14の構成を小型化することができるので、レーザ装置10の小型化を図ることができる。また、レーザ発振器18は、ファイバーレーザ装置として構成された例に限定されず、例えば、YAGレーザ装置やLD装置等の各種レーザ装置として構成することが可能である。
本発明は、上述した実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは当然可能である。
10…レーザ装置 18…レーザ発振器
42…測定部 44…出力部
46…フィードバック制御部 48…演算部
L…レーザ光 Sf…フィードバック信号
Sl…レーザ制御信号 Sm…測定信号
Ss…設定信号

Claims (6)

  1. レーザ光を発振するレーザ発振器と、
    前記レーザ光の設定出力に対応した設定信号を出力する出力部と、
    前記レーザ光の出力を測定して当該レーザ光の測定出力に対応した測定信号を出力する測定部と、
    前記設定信号と前記測定信号とに基づいて前記レーザ光の出力が前記設定出力となるようなフィードバック信号を算出して出力するフィードバック制御部と、
    前記設定信号と前記フィードバック信号とに基づいてレーザ制御信号を演算して出力する演算部と、
    を備え、
    前記レーザ発振器は、前記レーザ制御信号に基づいて前記レーザ光を発振する、
    ことを特徴とするレーザ装置。
  2. 請求項1記載のレーザ装置において、
    前記出力部、前記フィードバック制御部及び前記演算部は、前記レーザ光の最大出力時に前記設定信号、前記フィードバック信号及び前記レーザ制御信号のそれぞれの大きさが互いに等しくなるように設定されており、
    前記演算部は、前記設定信号をSs、前記フィードバック信号をSf、前記レーザ制御信号をSl、所定の係数をk(0<k<1)としたとき、
    Sl=k×Ss+(1−k)×Sf
    により前記レーザ制御信号Slを演算する、
    ことを特徴とするレーザ装置。
  3. 請求項2記載のレーザ装置において、
    0.3≦k≦0.9
    を満足することを特徴とするレーザ装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のレーザ装置において、
    前記測定部が前記レーザ発振器に内蔵されている、
    ことを特徴とするレーザ装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のレーザ装置において、
    前記フィードバック制御部は、PI制御又はPID制御によって前記フィードバック信号を算出する、
    ことを特徴とするレーザ装置。
  6. レーザ発振器から発振されるレーザ光の設定出力に対応した設定信号を出力部から出力するステップと、
    前記レーザ光の出力を測定部で測定して当該レーザ光の測定出力に対応した測定信号を当該測定部から出力するステップと、
    前記設定信号と前記測定信号とに基づいて前記レーザ光の出力が前記設定出力となるようにフィードバック信号をフィードバック制御部で算出して出力するステップと、
    前記設定信号と前記フィードバック信号とに基づいてレーザ制御信号を演算部で演算して出力するステップと、
    前記レーザ制御信号に基づいて前記レーザ発振器から前記レーザ光を発振するステップと、
    を行う、
    ことを特徴とするレーザ出力制御方法。
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