JP2018181950A - 複数のレーザモジュールを備えたレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のレーザモジュールを有し、駆動するレーザモジュールの個数を切換える際の不具合を防止する機能を備えたレーザ装置を提供する。
【解決手段】レーザ装置１０は、複数のレーザモジュール１２と、レーザモジュール１２からのレーザ光を合波する合波器１６と、合波レーザ光についての第１の光出力指令を生成する光出力指令部１８と、第１の光出力指令に基づいて、複数のレーザモジュール１２のうち駆動すべきレーザモジュールを選択し、選択したレーザモジュールの各々について第２の光出力指令を生成するレーザモジュール選択・指令部２０とを有し、レーザモジュール選択・指令部２０は、駆動するレーザモジュールの個数を増やすときと減らすときの第１の光出力指令の閾値を互いに異なるように設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のレーザモジュールを備えたレーザ装置に関する。

従来、複数のレーザモジュール（レーザ光源）から出力されたレーザ光を合波し、得られた合波レーザ光を照射する装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、複数のレーザモジュールを有するレーザ加工機において、合波レーザ光の出力やスポット径に基づいて、駆動するレーザモジュールの個数を調整する技術も知られている（例えば特許文献２、３参照）。

特開２００６−０１２８８８号公報 特開２０１２−２２７３５３号公報 国際公開第２０１４／１３３０１３号

個々のレーザモジュールには、レーザ光を安定して出力できる光出力の下限があるため、複数のレーザモジュールを備えたレーザ装置において広い光出力範囲を確保するためには、レーザ発振するレーザモジュールの個数を適宜切換えることが求められる。しかし、光出力指令値はレーザ照射中に変化することが多く、これによってレーザ発振すべきレーザモジュールの個数が頻繁に切換わり、出力が不安定になることがある。

本開示の一態様は、複数のレーザモジュールと、前記レーザモジュールの各々を駆動するためのレーザ電源部と、前記複数のレーザモジュールが発振したレーザ光を合波して合波レーザ光として出力する合波器と、前記合波レーザ光についての第１の光出力指令を生成する光出力指令部と、前記第１の光出力指令に基づいて、前記複数のレーザモジュールから駆動すべきレーザモジュールを選択するとともに、選択したレーザモジュールへの第２の光出力指令を生成するレーザモジュール選択・指令部と、前記第２の光出力指令に基づいて、前記レーザモジュール及び前記レーザ電源部を制御する制御部と、を備え、前記レーザモジュール選択・指令部は、前記第１の光出力指令の変化に応じた、レーザ発振する前記レーザモジュールの個数の切換えに関して、レーザ発振するレーザモジュールの個数をＮ個から減らすときの基準となる前記第１の光出力指令の第１の閾値よりも、レーザ発振するレーザモジュールの個数を前記Ｎ個に増やすときの前記第１の光出力指令の第２の閾値を、所定の値だけ高い値又は低い値に設定する、レーザ装置である。

本開示によれば、複数のレーザモジュールを有するレーザ装置において、レーザ発振するレーザモジュールの個数を切換える際の第１の光出力指令の閾値を、レーザ発振するレーザモジュールの個数を増やすときと減らすときとで異ならせることにより、レーザ出力の安定性を向上させることができる。

好適な実施形態に係るレーザ装置の主要部の機能ブロック図である。 第１の光出力指令の時間変化の一例を示すグラフである。 本開示における、第１の光出力指令と、レーザ発振するレーザモジュールの個数との関係を示すグラフである。

図１は、本発明の好適な実施形態に係るレーザ装置の主要部の機能ブロック図である。レーザ装置１０は、例えばレーザ加工機であり、複数のレーザ発振モジュール（レーザモジュール）１２と、レーザモジュール１２に駆動電力を供給する（通常はレーザモジュール１２と同数の）レーザ電源部１４と、レーザモジュール１２から出力（発振）されたレーザ光を合波し、合波レーザ光として外部に出力する合波器１６と、合波レーザ光についての第１の光出力指令（値）を生成する光出力指令部１８と、第１の光出力指令に基づいて、複数のレーザモジュール１２のうち駆動（レーザ発振）すべきレーザモジュールを選択するとともに、選択したレーザモジュールの各々について第２の光出力指令（値）を生成するレーザモジュール選択・指令部２０と、第２の光出力指令に基づいてレーザ電源部１４及びレーザモジュール１２を制御する制御部２２とを有する。なおレーザモジュール１２の個数は、レーザ装置１０の使用目的等によって適宜決定され、例えば２〜３０の範囲の値であるが、これに限定されるものではない。

またレーザ装置１０は、合波器１６から出力された合波レーザ光の実際の強度を検出する、光センサ等の第１の光検出器２４と、各レーザモジュール１２から発振されたレーザ光の強度を検出する、光センサ等の第２の光検出器２６とを有する。これらの光センサの検出値は、制御部２２にフィードバック可能であり、これにより制御部２２は、検出された合波レーザ光の強度及び各モジュールのレーザ光の強度に基づいたフィードバック制御を行うことができる。

光出力指令部１８、レーザモジュール選択・指令部２０及び制御部２２は、例えばプロセッサの形態で提供可能であり、レーザ装置１０又はこれを制御する制御装置内に組み込まれてもよいし、レーザ装置１０（の筐体）とは外観上異なるパーソナルコンピュータ等として提供されてもよい。また光出力指令部１８、レーザモジュール選択・指令部２０及び制御部２２の少なくとも１つは、後述する演算処理を行うためのデータ等を格納する機能又はメモリ等の記憶部を具備してもよい。

以下、レーザ装置１０における、駆動すべきレーザモジュールの個数の切換え処理について説明する。一般的に、合波レーザ光についての第１の光出力指令Ｐは図２のグラフに例示するように逐次変化する場合が多く、使用（駆動）すべきモジュールの個数や各モジュールへの第２の光出力指令（値）は、第１の光出力指令Ｐの変化に応じて逐次変更される。

ここで従来は、駆動すべきモジュールの個数は第１の光出力指令から一義的かつ自動的に決定されるようになっており、例えば図２の場合、第１の光出力指令Ｐが上昇して閾値Ｐｄに達したら（時刻ｔ１）、駆動するモジュールの個数を増やし、逆に第１の光出力指令Ｐが下降してＰｄに達したら（時刻ｔ２）、駆動するモジュールの個数を減らすという制御を行っていた。しかし実際は、図２における時刻ｔ１からｔ４の間のように、レーザ照射条件によっては、第１の光出力指令Ｐが短時間の間に閾値Ｐｄを挟んで頻繁に変化する場合があり、このような場合、実際の光出力は閾値を僅かに上回ったり下回ったりを繰り返しているので、時刻ｔ１からｔ４の間は駆動するモジュールの個数も頻繁に切換わることになり、これは光出力を不安定にさせ、レーザ装置１０をレーザ加工機として使用する場合には加工精度の悪化等につながっていた。また、時刻ｔ２から時刻ｔ３までのように、第１の光出力指令がＰｄで一定である場合も、駆動するモジュールの個数は一義的に決まらず、２通りの個数が選択可能となり、駆動するモジュールの個数が無意味かつ頻繁に切換わる虞がある。このような場合も、光出力の不安定化や加工精度の悪化を招き得る。

そこで本実施形態では、図３に示すように、駆動すべきモジュールの個数を減らすときの基準となる閾値と、増やすときの基準となる閾値とが有意に異なるような制御を行う。ここでは一例として、第１の光出力指令値Ｐが１０００Ｗ→１００Ｗ→１０００Ｗと変化する場合、レーザモジュール１２の仕様等から、第１の光出力指令値Ｐが１０００Ｗのときは駆動するレーザモジュール１２の個数を３とし（Ｎ＝３）、１００Ｗのときは駆動するレーザモジュール１２の個数を２つ減らして１とする（Ｎ−ΔＮ＝１）。従って、１００Ｗから１０００Ｗの間に、個数を切換える際の基準となる閾値を第１の光出力指令について設定する必要がある。

そこで、駆動するレーザモジュール１２の個数をＮ個から減らす場合は、該個数を切換える第１の閾値Ｐｄを例えば３００Ｗに設定する。つまり、第１の光出力指令値Ｐが１０００Ｗから減少して３００Ｗになったときに、駆動するレーザモジュール１２の個数が３から１に切換えられる。一方、駆動するレーザモジュール１２の個数をＮ個に増やす場合は、該個数を切換える第２の閾値Ｐｃを例えば３００Ｗより所定の値（ΔＰ）だけ大きいＰｃ（Ｐｃ＝Ｐｄ＋ΔＰ）に設定し、ここではΔＰは５０Ｗに設定されているものとする。つまり、第１の光出力指令値Ｐが１００Ｗから増加して３５０Ｗになったときに、駆動するレーザモジュール１２の個数が１から３に切換えられる。

図３のような処理により、閾値Ｐｄ付近では、駆動するモジュールの個数が減ることはあっても増えることはない。一方、閾値Ｐｃ付近では駆動するモジュールの個数が増えることはあっても減ることはない。従っていずれの場合も、駆動するモジュールの個数が頻繁に増減することはなく、合波レーザ光の出力が安定する。

上記所定の値（ΔＰ）は、駆動すべきレーザモジュールの個数を切換えるときの基準となる閾値（Ｐｄ、Ｐｃ）が、第１の光出力指令値が減少したときと増加したときとで有意に異なるように設定される。一例として、所定の値ΔＰは、第１の光出力指令値が一定のときの、実際の（第１の光検出器２４が測定した）光出力の変動幅より大きい値に設定され、例えば閾値（ここでは３００Ｗ）の３％以上、５％以上、又は１０％以上の値に設定可能である。また所定の値ΔＰは、例えば閾値（ここでは３００Ｗ）の１５％以下、２０％以下、又は２５％以下の値に設定可能である。また、所定の値ΔＰは、５０Ｗ等の固定値に設定することも可能である。このようにすれば、駆動するレーザモジュールの個数が、意図せずに頻繁に切換えられることがなく、安定した光出力の合波レーザ光が得られる。

なお上述の実施例では、駆動するレーザモジュールの個数が１つから３つ（或いはその逆）に切換えられる（すなわち一度に２つ増減する）が、本発明はこれに限られるものではない。例えば、第１の光出力指令がある閾値に達したら、駆動するレーザモジュールの個数を１つ増加又は減少させてもよいし、一度に３つ以上増加又は減少させてもよい。このような閾値と該閾値における個数の変化量との関係は、予め定めておくことができる。

実際のレーザ装置では、各レーザモジュールに対する第２の出力指令と該レーザモジュールからの実際の光出力との間には、その調整精度や調整後の特性変化に起因した差異が生じる場合があり、この差異はモジュール間でばらつきがあることが多い。このような場合、レーザモジュール選択・指令部２０は、レーザ発振（駆動）するレーザモジュール１２の個数を減らすときに、第２の出力指令と実際の（第２の光検出器２６が検出した）光出力との差が最も小さいか、又は所定の範囲内のレーザモジュールを、レーザ発振を継続させるレーザモジュールとして優先的に選択するようにしてもよい。或いは、レーザモジュール選択・指令部２０は、レーザ発振（駆動）するレーザモジュール１２の個数を減らすときに、第２の出力指令と実際の（第２の光検出器２６が検出した）光出力との差が最も大きいか、又は所定の範囲外のレーザモジュールを、レーザ発振を停止させるレーザモジュールとして優先的に選択するようにしてもよい。

例えば、第１の出力指令値が６００Ｗであり、３個のレーザモジュールの第２の出力指令値がいずれも２００Ｗとなっている場合に、第２の光検出器２６が検出した出力がそれぞれ２３０Ｗ、１９０Ｗ、１８０Ｗとなっていたら、駆動するレーザモジュールの個数を２つ減らす際は出力が１９０Ｗのモジュールを残すようにすることができる。或いは、上記所定の範囲が２０Ｗに設定されており、かつ駆動するレーザモジュールの個数を１つ減らす際は、出力が２３０Ｗの（所定の範囲を超えている）モジュールのレーザ発振を停止するようにすることができる。このように、出力指令と実際の光出力との差が最小又は比較的小さいレーザモジュールを、レーザ発振を継続させるレーザモジュールとして残すことにより、個数切換え後のレーザ光の出力精度を高め、より安定な光出力を実現することができる。

また、レーザモジュール選択・指令部２０は、レーザ発振するレーザモジュールの個数を減らすときに、累積駆動時間若しくは駆動条件による加速係数を考慮した実効的累積駆動時間が最長であるか、若しくは所定の時間より長いレーザモジュール、又は光出力特性に基づく残留寿命が最短であるか、若しくは所定の時間より短いと推定されるレーザモジュールを、レーザ発振を停止するレーザモジュールとして優先的に選択するようにしてもよい。このような処理により、残存寿命が長いと推定されるレーザモジュールを優先的に使用することができ、結果としてレーザ装置全体としての長寿命化が図れる。

ここで、各レーザモジュールの累積駆動時間としては、例えば各レーザモジュールへの総通電時間が使用可能である。また「駆動条件による加速係数を考慮した実効的累積駆動時間」の例としては、各モジュールへの出力指令に応じた標準出力指令に対する寿命負荷係数を時間で積分した値や、各モジュールの実際の光出力に応じた標準光出力に対する寿命負荷係数の時間積分値が使用可能である。また光出力特性に基づく残留寿命は例えば、各モジュールの光出力を定期的に測定し、初期の出力からの出力低下（劣化）の度合いを計算することによって求めることができる。

さらに、制御部２２は、第２の光検出器２６からの各レーザモジュール１２の検出値に基づいて各モジュールの光出力特性を所定のスケジュールに従って定期的に求め、これをレーザモジュール選択・指令部２０に送信することができる。ここでの光出力特性とは、例えば第２の光出力指令に含まれる電流値と、実際の光出力との関係である。一方、レーザモジュール選択・指令部２０は、制御部２２からの光出力特性を記憶することができ、定期的に制御部２２から送られてくる光出力特性データに基づいて、記憶している光出力特性を逐次更新することができる。このように、各レーザモジュール１２の光出力特性を所定のスケジュールに従って定期的に測定し、レーザモジュール選択・指令部２０に記憶されている光出力特性を定期的に更新することにより、レーザモジュール選択・指令部２０は、各レーザモジュール１２への第２の光出力指令をより精度良く出力できるようになる。さらに、残存寿命が短くなってきたと推定される光出力特性を示すレーザモジュールを早い段階から認識できるようになる。

なお上述の実施形態では、光出力指令部１８からの第１の光出力指令値Ｐの変化に応じた、レーザ発振（駆動）するレーザモジュール１２の個数の切換えに関して、レーザ発振するレーザモジュール１２の個数をＮ個から減らすときの閾値Ｐｄに対して、レーザ発振するレーザモジュール１２の個数をＮ個に増やすときの閾値Ｐｃを、Ｐｄより所定の値ΔＰだけ高い光出力指令値に設定する（Ｐｃ＝Ｐｄ＋ΔＰ）。しかし逆に、レーザ発振するレーザモジュール１２の個数をＮ個から減らすときの閾値Ｐｄに対して、レーザ発振するレーザモジュール１２の個数をＮ個に増やすときの閾値Ｐｃを、Ｐｄより所定の値ΔＰだけ低い光出力指令値に設定する（Ｐｃ＝Ｐｄ−ΔＰ）こともできる。この場合、閾値Ｐｄ付近では、駆動するモジュールの個数が増えることはあっても減ることはなく、一方、閾値Ｐｃ付近では駆動するモジュールの個数が減ることはあっても増えることはない。従ってこの場合も、合波レーザ光の出力が安定し、レーザ装置１０をレーザ加工機として使用した場合は加工精度が向上するという効果が得られる。

１０ レーザ装置
１２ レーザモジュール
１４ レーザ電源部
１６ 合波器
１８ 光出力指令部
２０ レーザモジュール選択・指令部
２２ 制御部
２４ 第１の光検出器
２６ 第２の光検出器

Claims (4)

1. 複数のレーザモジュールと、
   前記レーザモジュールの各々を駆動するためのレーザ電源部と、
   前記複数のレーザモジュールが発振したレーザ光を合波して合波レーザ光として出力する合波器と、
   前記合波レーザ光についての第１の光出力指令を生成する光出力指令部と、
   前記第１の光出力指令に基づいて、前記複数のレーザモジュールから駆動すべきレーザモジュールを選択するとともに、選択したレーザモジュールへの第２の光出力指令を生成するレーザモジュール選択・指令部と、
   前記第２の光出力指令に基づいて、前記レーザモジュール及び前記レーザ電源部を制御する制御部と、を備え、
   前記レーザモジュール選択・指令部は、前記第１の光出力指令の変化に応じた、レーザ発振する前記レーザモジュールの個数の切換えに関して、レーザ発振するレーザモジュールの個数をＮ個から減らすときの基準となる前記第１の光出力指令の第１の閾値よりも、レーザ発振するレーザモジュールの個数を前記Ｎ個に増やすときの前記第１の光出力指令の第２の閾値を、所定の値だけ高い値又は低い値に設定する、レーザ装置。
2. 前記レーザモジュール選択・指令部は、レーザ発振するレーザモジュールの個数を減らすときに、第２の光出力指令と実際の光出力との差が最小であるか所定の範囲内のレーザモジュールを、レーザ発振を継続させるレーザモジュールとして優先的に選択する、請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記レーザモジュール選択・指令部は、レーザ発振するレーザモジュールの個数を減らすときに、累積駆動時間若しくは駆動条件による加速係数を考慮した実効的累積駆動時間が最長であるか所定の値より大きいレーザモジュール、又は光出力特性に基づく残留寿命が最短であるか所定の値より小さいと推定されるレーザモジュールを、レーザ発振を停止するレーザモジュールとして優先的に選択する、請求項１又は２に記載のレーザ装置。
4. 前記制御部は、前記レーザモジュールの光出力特性を所定のスケジュールに従って定期的に求めて前記レーザモジュール選択・指令部に送信し、前記レーザモジュール選択・指令部は、前記光出力特性を記憶するとともに、前記制御部から送信された光出力特性データに基づいて光出力特性を逐次更新するように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ装置。

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