JP2017059556A - レーザ発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィードバック制御を常に有効とした上で、フィードバック制御によるオーバーシュートやハンチングを防止し、かつ、長時間使用によるレーザ共振器９１０のレーザ出力低下を補うレーザ発振装置を提供する。
【解決手段】本開示のレーザ発振装置は、レーザ共振器と、パワー検出部と、照射指令部と、差動増幅器と、パワー変化演算器と、可変リミッターと、加算器とを有する。可変リミッターは、加算電圧と変化電圧と指令電圧とに基づいて、補正電圧を出力する。さらに、可変リミッターは、変化電圧の絶対値がリミッター判定値より大きい場合は、指令電圧に基づくリミット電圧および加算電圧のうちの小さい方を補正電圧として出力する。
【選択図】図１

Description

本開示はレーザ発振装置に関し、特にレーザ出力を安定させる機能を有するレーザ発振装置に関する。

レーザ発振装置が出力するレーザ光は、非接触で、かつ、熱による影響を抑えて加工物を加工できる。そのため、レーザ発振装置は、多様な材質および形状の加工物に対する切断や溶接などに用いられている。

レーザ光による加工においては、レーザ光を一定の出力に安定させることにより、切断や溶接などの加工品質が確保される。

レーザ光のパワー（以下、レーザ出力）を安定させるために、一般的には、レーザ共振器へのレーザ出力指令と、レーザ共振器からのレーザ出力との偏差に基づいて、レーザ出力フィードバック制御を行う。レーザ共振器からのレーザ出力は、出力されたレーザ光の一部である検出レーザ光の出力をセンサーで測定して算出される。

しかし、検出レーザ光の出力を測定するセンサーは、数ｍｓの応答時間を必要とする。そのため、レーザ出力フィードバック制御の応答速度が制約され、レーザ出力指令の変化がセンサーの応答速度を超える場合には、オーバーシュートやハンチングが発生し、レーザ出力の安定性を低下させることがあった。

これに対し、特許文献１には、従来のレーザ発振装置について記載されている。

図２は、従来のレーザ発振装置９００の構成を示す概略図である。図２に示すように、従来のレーザ発振装置９００は、レーザ共振器９１０と、高電圧電源部９２０と、パワー検出部９３０と、照射指令部９４０と、比例制御部９５０とを有する。また、比例制御部９５０は、差動増幅器９５１と、加算器９５２と、フィードバック切替部９５３と、スイッチ９５４とを有する。

レーザ共振器９１０から出力されたレーザ光のほとんどは加工レーザ光９６０として加工物の加工に用いられる。レーザ共振器９１０から出力されたレーザ光の一部は、検出レーザ光９７０としてパワー検出部９３０に入射される。そして、パワー検出部９３０は、検出レーザ光９７０の出力に基づいてレーザ共振器９１０のレーザ出力を算出し、比例制御部９５０に出力する。

特許文献１では、照射指令部９４０によるレーザ出力指令が、フィードバック切替部９５３に予め設定された出力以上である場合は、フィードバック切替部９５３によってスイッチ９５４を閉じ、フィードバック制御が行われる。一方、照射指令部９４０によるレーザ出力指令が、フィードバック切替部９５３に予め設定された出力未満である場合は、フィードバック切替部９５３によってスイッチ９５４を開き、フィードバック制御を行わず、オーバーシュートやハンチングを防止する。

このように、特許文献１では、オーバーシュートやハンチングが無視できるほど高出力のレーザ光を発振させる時は、フィードバック制御を行ってレーザ出力を安定化している。そして、比較的安定した、低出力のレーザ光を発振させる時は、フィードバック制御を行わず、オーバーシュートやハンチングを防止している。

特開２００４−３４２９６５号公報

しかし、レーザ共振器９１０を構成する出力鏡および終端鏡は長時間の使用により劣化するため、レーザ共振器９１０の共振増幅度は徐々に低下する。従来のレーザ発振装置９００は、低出力のレーザ光を発振させる時はフィードバック制御を解除しているため、出力鏡や終端鏡の経年劣化によるレーザ共振器９１０の出力低下をフィードバック制御で補うことができなかった。

そこで本開示は、フィードバック制御を常に有効とした上で、フィードバック制御によるオーバーシュートやハンチングを防止し、かつ、長時間使用によるレーザ共振器９１０のレーザ出力低下を補うレーザ発振装置を提供する。

この課題を解決するために、本開示のレーザ発振装置は、レーザ共振器と、パワー検出部と、照射指令部と、差動増幅器と、パワー変化演算器と、可変リミッターと、加算器とを有する。レーザ共振器は、レーザ媒質を励起してレーザ光を出力する。パワー検出部は、レーザ光の一部である検出レーザ光を受光し、レーザ光の出力に比例した検出電圧を出力する。照射指令部は、レーザ共振器の出力に比例した指令電圧を出力する。差動増幅器は、検出電圧と指令電圧との差に基づいて、加算電圧を出力する。パワー変化演算器は、検出電圧の単位時間当たりの変化量を示す変化電圧を出力する。可変リミッターは、加算電圧と変化電圧と指令電圧とに基づいて、補正電圧を出力する。加算器は、補正電圧と指令電圧とを加算した出力電圧を出力する。さらに、可変リミッターは、変化電圧の絶対値がリミッター判定値以下の場合は、加算電圧を補正電圧として出力する。さらに、可変リミッターは、変化電圧の絶対値がリミッター判定値より大きい場合は、指令電圧に基づくリミット電圧および加算電圧のうちの小さい方を補正電圧として出力する。

これにより、本開示のフィードバック制御を常に有効とした上で、フィードバック制御によるオーバーシュートやハンチングを防止し、かつ、長時間使用によるレーザ共振器のレーザ出力低下を補い、レーザ出力をより安定させることができる。

図１は、実施の形態にかかるレーザ発振装置１００の構成を示す図である。 図２は、従来のレーザ発振装置９００の構成を示す図である。

（実施の形態）
以下、本開示の実施形態について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態のレーザ発振装置１００の構成を示す図である。

図１に示すように、レーザ発振装置１００は、レーザ共振器１０と、高電圧電源部２０と、パワー検出部３０と、照射指令部４０と、フィードバック制御部５０とを有する。また、フィードバック制御部５０は、差動増幅器５１と、加算器５２と、パワー変化演算器５３と、可変リミッター５４とを有する。照射指令部４０は、レーザ共振器１０に出力させるレーザ出力に比例した指令電圧Ｖ１を、フィードバック制御部５０に出力する。例えば、レーザ出力８００Ｗに対して指令電圧Ｖ１が１Ｖであれば、レーザ出力４ｋＷのレーザ出力指令では、指令電圧Ｖ１は５Ｖとなる。フィードバック制御部５０は、指令電圧Ｖ１にフィードバック制御を行い、出力電圧Ｖ２を高電圧電源部２０に出力する。高電圧電源部２０は、レーザ共振器１０の放電電流が出力電圧Ｖ２に比例するような高電圧Ｖ３をレーザ共振器１０に出力する。以下、それぞれの構成について、具体的に説明する。

レーザ共振器１０は、高電圧電源部２０からの高電圧Ｖ３によってレーザ媒質を励起してレーザ光を出力する。レーザ共振器１０が出力鏡（図示せず）から出射したレーザ光は、加工レーザ光６０として、加工物の加工に用いられる。レーザ共振器１０が終端鏡（図示せず）に設けられた部分透過鏡（図示せず）から出射するレーザ光は、検出レーザ光７０として、パワー検出部３０に入射される。検出レーザ光７０の出力は、例えば、レーザ共振器１０によるレーザ出力の約１％である。

高電圧電源部２０は、加算器５２からの出力電圧Ｖ２が入力され、高電圧Ｖ３をレーザ共振器１０に出力する。具体的には、加算器５２からは、レーザ共振器１０の放電電流に比例した出力電圧Ｖ２が出力される。高電圧電源部２０は、入力された出力電圧Ｖ２に基づいてレーザ共振器１０の放電電流に比例した高電圧Ｖ３を算出し、レーザ共振器１０に出力する。

パワー検出部３０は、入射された検出レーザ光７０からレーザ共振器１０のレーザ出力を算出し、レーザ出力に比例した検出電圧Ｖ４をフィードバック制御部５０の差動増幅器５１およびパワー変化演算器５３に出力する。なお、検出レーザ光７０は、レーザ共振器１０からのレーザ出力に比例しているため、検出電圧Ｖ４はレーザ共振器１０のレーザ出力に比例する。また、例えば、レーザ出力８００Ｗに対して検出電圧Ｖ４が１Ｖであれば、レーザ出力が４ｋＷでは、検出電圧Ｖ４は５Ｖとなる。パワー検出部３０によるレーザ出力と検出電圧Ｖ４との比率（Ｗ／Ｖ）は、照射指令部４０によるレーザ出力指令と指令電圧Ｖ１との比率（Ｗ／Ｖ）と同じである。

差動増幅器５１は、照射指令部４０からの指令電圧Ｖ１と、パワー検出部３０からの検出電圧Ｖ４とが入力される。差動増幅器５１は、検出電圧Ｖ４と指令電圧Ｖ１との差に基づいて、指令電圧Ｖ１に加算すべき加算電圧Ｖ５を算出し、可変リミッター５４に出力する。なお、本実施の形態では、「加算」とは、「正の値の加算」に加えて、「負の値の加算」、すなわち、「減算」の意味を含むものである。

パワー変化演算器５３は、パワー検出部３０からの検出電圧Ｖ４が入力される。パワー変化演算器５３は、単位時間当たりの検出電圧Ｖ４の変化量を示す変化電圧ΔＶ４を算出し、可変リミッター５４へ出力する。

可変リミッター５４は、照射指令部４０からの指令電圧Ｖ１と、差動増幅器５１からの加算電圧Ｖ５と、パワー変化演算器５３からの変化電圧ΔＶ４とが入力され、加算器５２に補正電圧Ｖ６を出力する。可変リミッター５４の動作の詳細については、後述する。

加算器５２は、照射指令部４０からの指令電圧Ｖ１と、可変リミッター５４からの補正電圧Ｖ６とを加算して出力電圧Ｖ２を算出し、高電圧電源部２０に出力電圧Ｖ２を出力する。

次に、レーザ発振装置１００の動作について説明する。

レーザ共振器１０は、高電圧電源部２０により高電圧Ｖ３が印加されることにより、レーザ共振器１０内のレーザ媒質を励起する。レーザ媒質の励起により、レーザ共振器１０の一端に設けられた出力鏡（図示せず）から加工レーザ光６０が出射される。

一方、レーザ共振器１０の他端に設けられた終端鏡（図示せず）には、発振されたレーザ光の約１％を透過する部分透過鏡（図示せず）が設けられている。これにより、発振されたレーザ光の出力や加工レーザ光６０の出力に比例した出力の検出レーザ光７０が取り出される。

パワー検出部３０は、例えば、積分球（図示せず）と、サーモパイルなどのからなる微小パワー検出器（図示せず、以下、センサー）などで構成されている。積分球の入力ポートに検出レーザ光７０を入射し、積分球の出力ポートから出射される検出レーザ光７０を微小パワー検出器で受光する。そして、パワー検出部３０は、レーザ共振器１０のレーザ出力に比例する検出電圧Ｖ４を出力する。なお、サーモパイルは応答時間が数ｍｓと遅いが廉価で入手できるため一般工業用として活用されている。また、パワー検出部３０の応答時間とは、パワー検出部３０に入射される検出レーザ光７０の出力が変化した場合に、出力の変化量のうちの一定の割合を検出するまでにかかる時間である。例えば、本実施の形態では、パワー検出部３０の応答時間は、検出レーザ光７０の出力の変化量のうちの９０％を検出するまでにかかる時間とする。

そして、フィードバック制御部５０は、指令電圧Ｖ１と検出電圧Ｖ４に基づいてフィードバック処理された出力電圧Ｖ２を算出し、高電圧電源部２０に出力する。

次に、フィードバック制御部５０の動作、特に、可変リミッター５４の動作について、具体的に説明する。

可変リミッター５４は、パワー変化演算器５３からの変化電圧ΔＶ４が、パワー検出部３０のサーモパイルなどのセンサーの応答時間に近い値となった場合に、リミッターを有効とする。リミッターが有効である場合のリミット電圧Ｖ７は、照射指令部４０からの指令電圧Ｖ１の数分の１、例えば、１０分の１である。可変リミッター５４は、差動増幅器５１の出力である加算電圧Ｖ５がリミット電圧Ｖ７以下である場合は、加算電圧Ｖ５を補正電圧Ｖ６として加算器５２に出力する。可変リミッター５４は、差動増幅器５１の出力である加算電圧Ｖ５がリミット電圧Ｖ７より大きい場合は、リミット電圧Ｖ７を補正電圧Ｖ６として加算器５２に出力する。

可変リミッター５４による、リミッターの有効／無効の判定方法について説明する。可変リミッター５４は、指令電圧Ｖ１をサンプリングし、サンプリングの周期ごとの指令電圧Ｖ１の差の９０％を、パワー検出部３０の応答時間で除して、判定電圧ΔＶ１を算出する。言い換えると、判定電圧ΔＶ１は、サンプリング周期の間に変化した指令電圧Ｖ１の変化量に０．９を乗算し、パワー検出部の応答時間で除して求められる。そして、可変リミッター５４は、変化電圧ΔＶ４の絶対値が、判定電圧ΔＶ１の絶対値（リミッター判定値）よりも大きい時は、リミッターを有効とし、変化電圧ΔＶ４の絶対値が判定電圧ΔＶ１の絶対値以下の時は、リミッターを無効とする。リミッターが無効の場合は、フィードバック制御の効果が最大限に発揮される。

可変リミッター５４が設定するリミット値は、レーザ共振器１０の共振増幅度の低下と、レーザ共振器１０の出力鏡および終端鏡の保守交換時間によって算出される最大共振増幅度低下率より求められる。例えば出力鏡および終端鏡が保守交換されるまでにレーザ共振器１０の共振増幅度が１０％低下する場合は、可変リミッター５４が設定するリミット値は、裕度を見込んで、照射指令部４０からの指令電圧Ｖ１に１０％、すなわち０．１を乗算する。このように算出したリミット値は、オーバーシュートやハンチングの影響を抑制するのに実用的な値である。

なお、リミッターが有効であっても、加算電圧Ｖ５がリミット電圧より小さい場合は、可変リミッター５４は加算電圧Ｖ５を補正電圧Ｖ６として加算器５２に出力する。すなわち、可変リミッター５４は、リミッターが有効である場合は、加算電圧Ｖ５とリミット電圧のうちの小さい方を、補正電圧Ｖ６として加算器５２に出力する。

このように、可変リミッター５４は、パワー検出部３０が、レーザ出力の変動に十分対応できていると判断したときは、リミッターを無効とすることで、フィードバック制御の効果を最大化する。さらに、可変リミッター５４は、パワー検出部３０が、レーザ出力の変動に対応できていないと判断したときは、リミッターを有効とした上で、フィードバック制御を行う。これにより、フィードバック制御を常に有効とした上で、フィードバック制御によるオーバーシュートやハンチングを防止できる。

本開示のレーザ発振装置は、フィードバック制御を常に有効とした上で、フィードバック制御によるオーバーシュートやハンチングを防止し、かつ、長時間使用によるレーザ共振器のレーザ出力低下を補うことが可能となるこれにより、レーザ出力をより安定させることができ、産業上有用である。

１０，９１０ レーザ共振器
２０，９２０ 高電圧電源部
３０，９３０ パワー検出部
４０，９４０ 照射指令部
５０ フィードバック制御部
５１，９５１ 差動増幅器
５２，９５２ 加算器
５３ パワー変化演算器
５４ 可変リミッター
６０，９６０ 加工レーザ光
７０，９７０ 検出レーザ光
Ｖ１ 指令電圧
ΔＶ１ 判定電圧
Ｖ２ 出力電圧
Ｖ３ 高電圧
Ｖ４ 検出電圧
ΔＶ４ 変化電圧
Ｖ５ 加算電圧
Ｖ６ 補正電圧
１００，９００ レーザ発振装置
９５０ 比例制御部
９５３ フィードバック切替部
９５４ スイッチ

Claims (3)

1. レーザ媒質を励起してレーザ光を出力するレーザ共振器と、
   前記レーザ光の一部である検出レーザ光を受光し、前記レーザ光の出力に比例した検出電圧を出力するパワー検出部と、
   前記レーザ共振器の出力に比例した指令電圧を出力する照射指令部と、
   前記検出電圧と前記指令電圧との差に基づいて、加算電圧を出力する差動増幅器と、
   前記検出電圧の単位時間当たりの変化量を示す変化電圧を出力するパワー変化演算器と、
   前記加算電圧と前記変化電圧と前記指令電圧とに基づいて、補正電圧を出力する可変リミッターと、
   前記補正電圧と前記指令電圧とを加算した出力電圧を出力する加算器と、を備え、
   前記可変リミッターは、前記変化電圧の絶対値がリミッター判定値以下の場合は、前記加算電圧を前記補正電圧として出力し、
   前記可変リミッターは、前記変化電圧の絶対値が前記リミッター判定値より大きい場合は、前記指令電圧に基づくリミット電圧および前記加算電圧のうちの小さい方を前記補正電圧として出力するレーザ発振装置。
2. 前記リミッター判定値は、前記指令電圧のサンプリング周期の間に変化した前記指令電圧の変化量に０．９を乗算し、前記パワー検出部の応答時間で除した値である請求項１に記載のレーザ発振装置。
3. 前記リミット電圧は、前記指令電圧に０．１を乗算したものである請求項１または２に記載のレーザ発振装置。

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