JP2542821B2 - レ−ザ加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はレーザ加工装置に関し、特に多種の加工条件
に合わせて個々のパルスレーザ光を任意設定することが
可能で、かつ常時設定通りのパルスレーザ光が得られる
ように工夫したものである。

（従来の技術） レーザ加工によく使われるYAG（イットリウム・アル
ミニウム・ガーネット）レーザやガラスレーザ等の固体
レーザは、主としてレーザ発振を起こすYAGロッドやガ
ラスロッド等のレーザロッド（発振素子）と、そのレー
ザロッドに光を照射して発振用のエネルギを注入する励
起用ランプとで構成される。また、レーザロッドにおい
て大部分の励起エネルギは熱に変わってしまい、温度が
高くなると発振しにくくなるため、レーザロッドを冷や
すための冷却装置も大抵備えられる。

このような固体レーザでパルス状のレーザ光を得る場
合、フラッシュランプからなる励起用ランプをパルス的
に点灯させ、ランプ点灯時間とランプ電流値を電気的に
制御することによってレーザ出力波形を制御している。

パルスレーザ光は主に切断，穴開け，シーム溶接，ス
ポット溶接等の瞬間的に高いレーザ出力を要する加工に
用いられ、一般には１〜50パルス／秒等の時間間隔で繰
り返し発せられることが多く、パルス幅は約0.1ms〜20m
sの範囲内で選ばれる。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、待機状態から励起用ランプが初めてパルス
点灯したとき、そのフラッシュによってレーザロッドは
熱ショックを受け、これにより１発目のパルスレーザ光
は設定値よりもかなり低い出力で発せられる。そして、
次に励起用ランプが点灯したとき、１発目ほどの熱ショ
ックはないが、レーザロッドのレンズ効果によってまだ
不安定な出力のパルスレーザ光が発せられる。ここで、
レンズ効果とは、励起エネルギによって熱せられたレー
ザロッドの芯部と冷却装置によって冷やされたレーザロ
ッド表面部との温度差によってロッドの屈折率が変化
し、いわば凸レンズが形成される現象であり、その温度
差が不安定なうちはレーザ出力にも変動が生じる。そし
て、３発目,4発目と励起用ランプが繰り返し点灯してい
くうちにレーザロッドでヒートバランスがとれて安定状
態に達し、そのときレーザ出力も安定になる。

このように、パルスレーザ光の出力は、１発目２発
目,3発目…と最初の数パルスでは毎回変動し、熱平衡状
態に達したときに一定値になり、これは加工上バラツキ
が出るので好ましいことではない。

したがって従来は、レーザ加工を行う度毎に最初の数
パルスのレーザ光を空打ちし、熱平衡状態に達した後の
パルスレーザ光を加工に用いるようにしているが、受身
的な対処であり、根本的な解決がなされていない。

さらに、励起用ランプは点灯する度に徐々に消耗し、
長期間の使用で照射光が弱くなり、その分レーザ出力も
低下し加工品質にも影響する。したがって、そのような
場合にはランプ電流を自動的に増加させてレーザ出力を
設定値に保つような工夫が望まれる。

また、従来のパルスレーザ加工装置は同じレーザ出力
波形のパルスレーザ光を一定周期で照射するだけである
が、加工物が多岐にわたる場合にはそれぞれの加工物ま
たは加工点の加工条件に応じて個々のパルスレーザ光を
設定できれば、より高い加工品質が達成されよう。

本発明は、上述のような問題点に鑑みてなされたもの
で、多種の加工条件に合わせて個々のパルスレーザ光を
任意設定可能で、かつ設定通りのパルスレーザ光が常時
得られるようなレーザ加工装置を提供することを目的と
する。

（問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、本発明のレーザ加工装
置は、単一または一連のパルスレーザ光を被加工物の複
数の加工点にそれぞれ照射して所定の加工を行うレーザ
加工装置において、設定条件にしたがって単一または一
連のパルス状の励起ランプ電流を与えるレーザ電源手段
と、前記パルス励起ランプ電流を受けてそれに応じた単
一または一連のパルスレーザ光を発生するレーザ光発生
手段と、前記レーザ光発生手段より発生された各パルス
レーザ光のレーザ出力を検出してレーザ出力検出値を与
える光センサ手段と、単一または一連のパルスレーザ光
を発生させる各々のサイクルにつき、そのサイクル内の
各々のパルスレーザ光に対してレーザ出力の設定値を与
えるレーザ出力設定手段と、１回目〜Ｍ回目（Ｍは正の
整数）の各々のサイクルにおける１発目〜Ｎ発目（Ｎは
正の整数）の各々のパルスレーザ光毎に前記光センサ手
段からのレーザ出力検出値と前記レーザ出力設定手段か
らのレーザ出力設定値とを比較して比較誤差を与える比
較手段と、前記比較手段より得られた前記比較誤差を記
憶する比較誤差記憶手段と、前記比較誤差記憶手段に記
憶されている最初のサイクルにおける前記比較誤差に基
づいて次のサイクルにおける１発目〜Ｎ発目の各々のパ
ルスレーザ光のためのレーザ出力設定値の補正値を演算
する補正演算手段と、前記補正値演算手段より得られた
前記補正値を記憶する補正値記憶手段と、２回目以降の
サイクルにおける１発目〜Ｎ発目の各々のパルスレーザ
光毎に前記補正値記憶手段からの前記補正値と前記レー
ザ出力設定手段からの前記レーザ出力設定値とに基づい
て前記レーザ電源手段を制御するレーザ制御手段とを具
備する構成とした。

（作用） 例えば一連のｙ発（個）のパルスレーザ光が設定され
た場合、最初のサイクル（第１回目）において比較手段
より各パルスレーザ光に関する誤差が得られ、そして補
正値演算手段では各誤差に基づいて補正値が得られる。
この際、第１発目のパルスレーザ光ではレーザ発振器内
の熱ショックによって実際のレーザ出力（レーザ出力検
出値）は設定値（レーザ出力設定値）よりもかなり低く
なるため大きな誤差が得られ、また第２発目や第３発目
等でも発振開始時の過渡現象による実際のレーザ出力の
変動によって比較的大きな誤差が得られる。

しかして、次のサイクル（第２回目）では、上述のよ
うにして得られる補正値が設定値に加味されることによ
って誤差を補償するようにレーザ電源が制御され、した
がって各パルスレーザ光について実際のレーザ出力が設
定値に近づいて誤差が相当小さくなり、それらの各誤差
に基づいて新たな補正値が算出される。

そして、次のサイクル（第３回目）以降でも同様な動
作がなされ、実際のレーザ出力がさらに設定値に近づい
て誤差がますます小さくなる。

このように、設定されたパルスレーザ光を一回または
数回発生させると、各パルスレーザ光について実際のレ
ーザ出力の特性（設定値との差）が割り出され、以後は
補正がかけられることによって常時設定通りのパルスレ
ーザ光が得られることになる。

また、各パルスレーザ光毎に補正値がかけられるの
で、各パルスレーザ光の個々に対して異なる設定を行う
ことも可能となる。

なお、励起ランプの経時変化等によってレーザ出力が
変動（低下）すると、その変動分の誤差に応じて補正が
かけられて、やはり設定通りの安定なパルスレーザ光が
維持される。

（実施例） 以下、添付図を参照して本発明の一実施例を説明す
る。

第１図は、この実施例によるパルスレーザ加工装置の
要部の構成を示す。この図において、レーザ発振器10
は、例えばYAGレーザで、レーザロッド（YAGロッド），
励起用フラッシュランプ，冷却装置等を含む。レーザ電
源12は設定条件にしたがって単一または一連のパルス状
のランプ電流PIiをレーザ発振器10に供給するもので、
各パルスランプ電流PIiのパルス幅，レベル，立上がり
時間，立下がり時間，およびパルス間隔時間等は後述す
るコントローラ100により制御される。

しかして、レーザ電源12からの各パルスランプ電流PI
iがレーザ発振器10の励起用ランプに供給されると、そ
のランプがパルス点灯してレーザロッドが励起され、パ
ルスランプ電流PIiに応じたパルスレーザ光LBiが発振出
力されるようになっている。そして、このレーザ光LBi
は99.9％の反射率を有するミラー14により進行方向を曲
げられてからレンズ16,光ファイバ18を介して出射ユニ
ット20に送られ、そこから集光されたパルスレーザ光LB
iwが被加工物22に照射されるようになっている。

以上の構成10〜22は、従来のパルスレーザ加工装置と
共通する部分である。

さて、この実施例によれば、ミラー14を透過した0.1
％のレーザ光LBitは光センサ30に入射するようになって
いる。この光センサ30は例えばPINフォトダイオードか
らなり、各パルスレーザ光LBiの出力PLi（ワット）に対
応した光電流ILiを生成する。そして、この光電流ILiは
レーザ出力検出回路32に供給されそこで電流−電圧変換
処理を受ける。しかして、レーザ出力検出回路32の出力
端子にはパルスレーザ光LBiの出力PLiを表すレーザ出力
検出電圧ELiが得られ、このレーザ出力検出電圧ELiはア
ナログ−ディジタル（A/D）変換器34でディジタル信号
《PLi》に変換されてからコントローラ100の比較部108,
表示部106のそれぞれの一方の入力端子C1,D1に与えられ
る。

比較部108の他方の入力端子C2には、設定部102より各
パルスレーザ光LBiに対するレーザ出力の設定値［PLi］
が逐次与えられる。そして、比較部108は、両入力端子C
1,C2にそれぞれ受けたレーザ出力検出値《PLi》とレー
ザ出力設定値［PLi］とを比較してその比較誤差ERiを誤
差記憶部110に与える。

設定部102は、キーボード等からなる入力装置38より
各パルスレーザ光LBiについてレーザ出力，パルス幅，
立上がり時間，立下がり時間、パルス時間間隔等のデー
タを入力してそれらを所定フォーマットのディジタル信
号に変換したのち一旦設定値記憶部104に格納する。

第２図は、設定値記憶部104における各種設定値のメ
モリ配置例を示す。すなわち、第ｉ発目のパルスレーザ
光LBiに対しては、同じアドレス領域ADiにそのパルスレ
ーザ光LBiのコード［LBi］，レーザ出力設定値［PL
i］，パルス幅設定値［WLi］，立上がり時間設定値［RL
i］，立下がり時間設定値［FLi］，時間間隔設定値［TL
i］が格納される。なお、時間間隔設定値［TLi］とは、
当該パルスレーザ光LBiと次のパルスレーザ光LBi＋１と
の時間間隔（インターバル）である。

第３図は、一連のパルスレーザ光LB1〜LByのレーザ出
力波形の設定例を示す。図示のように、このレーザ出力
波形は上記各種設定値によって規定される。

なお、第２図および第３図は一連のパルスレーザ光LB
1〜LBy（１発目からｙ発目）についての１つのレーザ出
力パターン例であるが、もちろん加工条件に応じて他の
パラメータの設定も可能であり、また複数のレーザ出力
パターンを設定値記憶部104に格納して選択的に使用す
ることも可能である。

設定部102は、加工が行われるとき、その加工条件に
応じたパターンの設定値を各パルスレーザ光LBiにつき
順次読み出して補正制御部112に送るとともに、上述の
ようにレーザ出力設定値［PLi］を比較部108の他方の入
力端子C2にも与え、さらには表示部106の他方の入力端
子D2にも与える。表示部106は、比較部108からの各レー
ザ出力設定値［PLi］を入力してその値をディスプレイ3
6に表示するとともに、A/D変換器34からのレーザ出力検
出値《PLi》を入力してレーザ出力検出値をディスプレ
イ36に表示する。

補正制御部112は、加工が行われるとき、設定部102か
ら各パルスレーザ光LBiについての設定値［PLi］を受け
取り、その設定値［PLi］に前回（第ｎ回）の同じパル
スレーザ光LBi,nに対する補正値［ΔPLi,n］を加えた補
正レーザ出力設定値［PLi＋ΔPLi,n］でレーザ電源12に
おける次回（第ｎ＋１回）のパルスランプ電流PIi,n＋
１のレベルを制御する。そのような補正値［ΔPLi,n］
は、誤差記憶部110に格納された前回（第ｎ回）の誤差E
Ri,nに基づいて算出される。

すなわち、第４図に示すように、例えば第ｉ発目のパ
ルスレーザ光LBiについて、第１回のレーザ出力検出値
《PLi,1》がレーザ出力設定値［PLi］よりも低いとき、
その誤差ERi,1に基づいて第１回の補正値［ΔPLi,1］が
算出され、第２回のパルスレーザ光LBi,2が発せられる
ときにはレーザ出力設定値［PLi］に第１回の補正値
［ΔPLi,1］を加えた補正レーザ出力設定値［PLi＋ΔPL
i,1］が他の設定値［WLi］，［RLi］，［FLi］，［TL
i］とともに補正制御部112からインターフェイス40を介
してレーザ電源12に送られ、レーザ電源12ではそれらの
設定条件にしたがった励起用パルスランプ電流PIi,2を
レーザ発振器10に供給する。そして、第２回のレーザ出
力検出値《PLi,2》がレーザ出力設定値［PLi］よりもま
だ低いときには、その誤差ERi,2に基づいて第２回の補
正値［ΔPLi,2］が算出され、第３回のパルスレーザ光L
Bi,3が発せられるときにはレーザ出力設定値［PLi］に
第２回の補正値［ΔPLi,2］を加えた補正レーザ出力設
定値［PLi＋ΔPLi,2］がレーザ電源12に与えられる。こ
のように、各誤差ERiにしたがって各補正値［ΔPLi］お
よび各補正レーザ出力設定値［PLi＋ΔPLi］が逐次更新
され、第２回以後は各パルスレーザ光LBiの実際のレー
ザ出力すなわち各レーザ出力検出値《PLi》が各レーザ
出力設定値［PLi］に近づいて各誤差ERiが小さくなり、
各補正値［ΔPLi］や各補正レーザ出力設定値［PLi＋Δ
PLi］はそれほど変化しなくなる。

第５図は、誤差記憶部110における誤差のメモリ配置
例を示す。この例では、同じアドレス領域ADiに過去３
回分の誤差ERi,n−2;ERi,n−1;ERi,nが格納され、新し
い誤差ERi,n＋１が入力されると、一番古い誤差ERi,n−
２が消去されるように順次シフトして書き替えられるよ
うになっている。

第６図は、補正値記憶部114におけるメモリ配置例を
示す。この例では、同じアドレス領域ADiにパルスレー
ザ光LBiのコード［LBi］レーザ出力設定値［PLi］，そ
して前回の誤差ERi,nに基づいて算出された補正値［ΔP
Li,n］が格納される。

しかして、本実施例では、与えられた単一または一連
のパルスレーザ光について、先ず第１回目（サイクル）
は、各パルスレーザ光LBiの空打ち（加工を行わないレ
ーザ発振）を行う。そうすると、第１回の各誤差ERi,1
を基に各補正値［ΔPLi,1］が算出される。この際、第
１発目のパルスレーザ光LB1,1ではレーザロッドの熱シ
ョックによって実際のレーザ出力《PL1,1》はレーザ出
力設定値［PL1］よりかなり低くて大きな誤差ER1,1が得
られ、また第２発目や第３発目等の発振開始時のパルス
レーザ光LB2,1,LB3,1でもレンズ効果によって比較的大
きな誤差ER2,1,ER3,1が得られる。

そして、第２回目では、そのような第１回目の誤差ER
1,1,ER2,1,ER3,1…を補償するような補正値［ΔPL1,
1］，［ΔPL2,1］，［ΔPL3,1］…を含む補正レーザ設
定値［PL1＋ΔPLi,1］，［PL2＋ΔPL2,1］，［PL3＋ΔP
L3,1］が補正制御部112からレーザ電源12に与えられる
ことにより各パルスレーザ光LBi,2の実際のレーザ出力
《PLi,2》は設定値［PLi］にかなり近い値になる。

このように、第２回目以降は、１発目から各パルスレ
ーザ光LBiのレーザ出力がほぼ設定通りになるので、レ
ーザ加工に用いられ、バラツキのない安定な加工品質が
得られる。また、各サイクル毎に誤差が検出され補正値
が得られるので、励起用ランプの寿命によりレーザ出力
が低下してくると、それを補償するようにランプ電流PI
が自動的に増大し、一定のレーザ出力が保たれる。

なお、第１図において、被加工物22は１つしか示され
ないが、本実施例の場合むしろ多数の加工点W1,W2…が
設定され、それぞれに各パルスレーザ光LB1,LB2…が照
射されるような加工が行われる。

また、第１図のコントローラ100内の各部はマイクロ
コンピュータで構成される。したがって各記憶部104,11
0,114は１つのメモリ装置で共用してよい。

また、本実施例では、第２図および第３図に示すよう
に各パルスレーザ光LBiについて異なるレーザ出力波形
が選択でき、いわばプログラマブルなパルスレーザ加工
が可能であるが、例えば同じ設定値を設定値記憶部104
から繰り返し読み出すことにより、同じレーザ出力波形
のパルスレーザ光を一定の周期（時間期間）で繰り返し
発生することも可能である。

（発明の効果） 以上のように、本発明のレーザ加工装置によれば、多
種の加工条件に合わせて個々のパルスレーザ光を任意に
設定することができ、予め第１回目のサイクルで各々の
パルスレーザ光を空打ちすれば、第２回目のサイクル以
降は、各々の第Ｎ発目のパルスレーザ光についてレーザ
出力設定値と実際のレーザ出力値との誤差が自動的に補
正されるので、レーザ加工の度毎（各サイクル毎に）最
初の数発のパルスレーザ光を無駄に空打ちする必要はな
く、さらには励起用ランプの経時変化に対しても設定通
りのパルスレーザ光を安定に維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例によるパルスレーザ加工装
置の要部の構成を示すブロック図、 第２図は、第１図の設定値記憶部104における各種設定
値のメモリ配置例を示す図、 第３図は、一連のパルスレーザ光のレーザ出力波形の設
定例を示す図、 第４図は、パルスレーザ光のレーザ出力設定値とレーザ
出力検出値、それらの誤差、および補正値の関係を概念
的に示す図、 第５図は、第１図の誤差記憶部110における誤差のメモ
リ配置例を示す図、および 第６図は、第１図の補正値記憶部114におけるメモリ配
置例を示す図である。 10……レーザ発振器、12……レーザ電源、14……ミラ
ー、20……出射ユニット、22……被加工物、30……光セ
ンサ、32……レーザ検出回路、34……アナログ−ディジ
タル変換器、38……入力装置、40……インターフェイ
ス、100……コントローラ、102……設定部、104……設
定値記憶部、108……比較部、110……誤差記憶部、112
……補正制御部、114……補正値記憶部。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単一または一連のパルスレーザ光を被加工
   物の複数の加工点にそれぞれ照射して所定の加工を行う
   レーザ加工装置において、 設定条件にしたがって単一または一連のパルス状の励起
   ランプ電流を与えるレーザ電源手段と、 前記パルス励起ランプ電流を受けてそれに応じた単一ま
   たは一連のパルスレーザ光を発生するレーザ光発生手段
   と、 前記レーザ光発生手段より発生された各パルスレーザ光
   のレーザ出力を検出してレーザ出力検出値を与える光セ
   ンサ手段と、 単一または一連のパルスレーザ光を発生させる各々のサ
   イクルにつき、そのサイクル内の各々のパルスレーザ光
   に対してレーザ出力の設定値を与えるレーザ出力設定手
   段と、 １回目〜Ｍ回目（Ｍは正の整数）の各々のサイクルにお
   ける１発目〜Ｎ発目（Ｎは正の整数）の各々のパルスレ
   ーザ光毎に前記光センサ手段からのレーザ出力検出値と
   前記レーザ出力設定手段からのレーザ出力設定値とを比
   較して比較誤差を与える比較手段と、 前記比較手段より得られた前記比較誤差を記憶する比較
   誤差記憶手段と、 前記比較誤差記憶手段に記憶されている最初のサイクル
   における前記比較誤差に基づいて次のサイクルにおける
   １発目〜Ｎ発目の各々のパルスレーザ光のためのレーザ
   出力設定値の補正値を演算する補正値演算手段と、 前記補正値演算手段より得られた前記補正値を記憶する
   補正値記憶手段と、 ２回目以降のサイクルにおける１発目〜Ｎ発目の各々の
   パルスレーザ光毎に前記補正値記憶手段からの前記補正
   値と前記レーザ出力設定手段からの前記レーザ出力設定
   値とに基づいて前記レーザ電源手段を制御するレーザ制
   御手段と を具備することを特徴とするレーザ加工装置。