JP5248890B2 - パルスレーザを出力するレーザ発振器及びレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、パルスレーザを出力するレーザ発振器及び該レーザ発振器を有するレーザ加工装置に関する。

一般にパルスレーザは、レーザ発振器において連続波（ＣＷ）又はパルス指令によって生成される。パルスレーザは、パルス幅やレーザ出力等の条件を適宜設定することにより精密な加工が可能となることから、高精度の切断、穿孔又は溶接等の加工に利用されている。ここでパルスレーザを生成するためのパルス指令の作成には、数値制御装置からのパルスオン信号、パルスオフ信号（２進数）の入力指令を基準クロックでカウントすることによって所定の周波数とする等、種々の手法がある。例えば特許文献１には、基準クロック発振器から基準クロック信号を入力し、基準クロック信号を分周して、デコードされたＩ／Ｏデータが指定する周波数のＱスイッチ周波数パルスを生成するプログラマブル分周回路を備えたレーザ加工装置が開示されている。

特開２００２−１０３０６６号公報

特許文献１に示すレーザ加工装置のように、従来のレーザ加工装置では、パルス指令を作成するために１つの基準クロックを使用していた。しかしレーザ加工に使用されるパルスレーザの周波数は、分解能やデューティ比等の制約から、１つの基準クロックから生成できるパルス指令は通常、ある範囲に限定される。例えば、レーザ発振器に種々の指令を送る数値制御装置（ＣＮＣ）からの指令に基づいてレーザ発振器のレーザ電源に送る指令を作成するインターフェイス回路では、目的とする周波数に応じたパルスオン信号及びオフ信号の入力指令が必要となるが、仮に基準クロックの周波数が１００ｋＨｚである場合、パルスレーザの出力周波数が２ｋＨｚのときの分解能は２％であり、近年要求されている数十ｋＨｚの周波数や細かい分解能のパルスレーザを生成することは困難であった。

一方、１つの基準クロックから例えば数Ｈｚ〜数十ｋＨｚのような広範な周波数指令を作成することも可能ではあるが、そのためにはＣＮＣのソフトウェアやインターフェイス回路が非常に複雑になり、コスト増にもつながる。

そこで本発明は、１台のレーザ発振器において、従来より広範囲なパルス周波数領域を備えたパルスレーザを、簡易な構成で生成可能にするレーザ発振器、及び該レーザ発振器を備えたレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、パルスレーザを出力するレーザ発振器であって、各々が一定かつ互いに異なるクロック周波数を出力できるように構成された複数の基準クロックと、前記複数の基準クロックから、レーザ出力周波数指令の生成に使用する１つの基準クロックを、与えられた出力指令に基づいて自動的に選定する選定手段と、前記選定手段により選定された１つの基準クロックをカウントすることにより、レーザ出力周波数指令に含まれるパルスのオン時間及びオフ時間を計算するためのカウンタと、前記オン時間及びオフ時間に基づいてレーザ出力周波数指令を作成する作成手段と、を有する、レーザ発振器を提供する。

また請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ発振器において、数Ｈｚ〜数十ｋＨｚのレーザ出力周波数範囲を備える、レーザ発振器を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のレーザ発振器を備えたレーザ加工装置を提供する。

本発明によれば、クロック周波数の異なる基準クロックを条件に応じて切り替えて使用することが可能となり、レーザ発振器全体として広範囲のレーザ出力周波数を備えたパルスレーザを、複雑なソフトウェアやインターフェイス回路を使用せずに生成することができる。

基準クロックの選定は、所与の条件から自動で行ってもよいし、作業者が直接選定できるように手動で行うこともできる。

本発明によれば、具体的には数Ｈｚ〜数十ｋＨｚのレーザ出力周波数範囲を備えたパルスレーザを実現でき、幅広い用途のレーザ加工に使用できるようになる。

また本発明によれば、広範な出力周波数を備えたパルスレーザを用いたレーザ加工装置が提供される。

図１は、本発明に係るレーザ発振器を含むレーザ加工システムの一実施例を示す。レーザ発振器１０は、レーザ発振器１０の動作全般を制御するＣＰＵ（図示せず）を内蔵する数値制御部（ＣＮＣ部）１２を有する。ＣＮＣ１２からの信号又は指令はインターフェイスユニット１４に送られる。インターフェイスユニット１４は、ＣＮＣ１２との通信を行うための通信ＩＣ（通信用集積回路）１６を有する。通信ＩＣ１６は、ＣＮＣ１２から受信したパルスレーザに関する出力指令及びベース指令、並びにオン時間及びオフ時間（図２参照）を含む情報を後述するスイッチ１８及びカウンタ２０にそれぞれ送るように構成されている。

図２は、一般的なパルスレーザの出力波形を示すグラフである。図示するように、出力波形は、時間ｔ１（オン時間）に亘って出力Ｗ１を出力する出力指令と、時間ｔ２（オフ時間）に亘ってベース出力Ｗ２を出力するベース指令とを交互に繰り返すことによって生成される。なおベース出力Ｗ２はゼロの場合もある。上述のカウンタ２０は、通信ＩＣ１６からのオン時間及びオフ時間の情報に基づいて、後述する基準クロックによって実際のオン時間及びオフ時間を計算し、その信号をスイッチ１８に送るように構成される。一方スイッチ１８は、通信ＩＣ１６からの出力指令及びベース指令と、カウンタ２０からの信号とに基づいて、図２に示すようなパルス波形を生成するための情報（信号）をＤ／Ａコンバータ２２に送るように構成されている。

Ｄ／Ａコンバータ２２は、スイッチ１８からの情報をＤ／Ａ変換し、レーザ出力周波数指令を含むレーザ出力指令として高周波電源であるレーザ電源２４に送る。レーザ電源２４は、ＤＣ電源部２６及びＲＦ電源部２８（通常ＲＦ周波数は一定）を有し、Ｄ／Ａコンバータ２２からの出力指令に基づいて制御された高周波電力を、マッチングユニット３０を介して放電管３２に供給する。放電管３２はレーザ媒質であるレーザガスで満たされたガス流路３４に連通し、故に放電管内部もレーザガスで満たされている。レーザガスはガス流路３４に設けられたターボブロワ等の送風手段３６によりレーザ発振器内部を高速で循環するとともに、ターボブロワ３６の前後に配置された熱交換器３８及びによって冷却される。参照符号４０及び４２はそれぞれ全反射鏡及び部分反射鏡を表しており、これらの鏡と放電管３２とにより光共振器が構成される。なお熱交換器３８やガス流路３４を冷却するための冷却水は概略図示した冷却水循環装置４４により供給され、またガス流路３４及び放電管３２内のガス圧は、概略図示したレーザガス圧制御システム４６により適切な値に制御される。

放電管３２にレーザ電源２４より高周波電力が供給されると、放電管内のレーザガスが放電により励起され、光共振器において光が発生する。その光は全反射鏡４０と部分反射鏡４２の間で反射を繰り返しながら、誘導放出により増幅され、その一部は部分反射鏡４２からレーザ光４８として外部へ取り出される。

取り出されたレーザ光は、レーザ加工部５０に導かれてレーザ加工に使用される。具体的には、レーザ発振器からのレーザ光はレーザ加工部５０の反射鏡５２により伝播され、集光レンズ５４及び加工ヘッド５６を通って加工テーブル５８上の加工対象ワーク６０に照射される。

本願発明の特徴は、クロック周波数の異なる基準クロックが複数設けられ、そのうちの選定された１つの基準クロックが、上述のカウンタ２０によるカウント操作に使用される点にある。基準クロックとは例えば、ある電圧をかけられたときに一定周波数の信号を出力する一種の発振器（ＩＣ）である。従って上述のカウンタ２０は、選定された基準クロックが出力した周波数を適当数カウント（分周）することにより、所定のオン時間及びオフ時間を計算する。図１の例では、インターフェイスユニット１４内に周波数１００ｋＨｚの第１基準クロック６２と周波数１ＭＨｚの第２基準クロック６４とが設けられる。この場合、レーザ出力指令における周波数が数Ｈｚ〜２ｋＨｚ以下である場合には第１基準クロック６２を使用し、レーザ出力指令における周波数が２ｋＨｚを超え１０ｋＨｚ以下である場合には第２基準クロック６４を使用する選定又は切替処理が行われることが好ましい。このように本発明に係るレーザ発振器は、実現できるパルスレーザの周波数範囲が異なる複数の基準クロックを具備するので、レーザ発振器全体として使用できる周波数の範囲を従来より大幅に拡大することができる。

なお切り替えの具体的手法としては種々のものが使用可能であるが、例えば図１に示すように、通信ＩＣ１６を介してＣＮＣ１２から切替信号を送る等が挙げられる。従って複雑なソフトウェアやインターフェイス回路を使用しなくとも、複数の基準クロックを適宜切り替えることにより、カウンタの桁数を増やすことなく広範な周波数を指令することが可能となる。

使用する基準クロックの切替又は選定は、自動又は手動で行うことができる。自動で行う場合、例えばＣＮＣ１２に図示しない入力部を設けておき、入力部に入力された所定の出力条件（例えばパルスレーザの周波数）から、いずれの基準クロックを使用するかをＣＮＣが判断して、その判断結果を含む指令をインターフェイスユニット１４に送ることができる。また手動で行う場合、例えば上記入力部から作業者が使用すべき基準クロックの周波数、名称又は型番等を直接入力し、ＣＮＣがその入力結果をそのままインターフェイスユニット１４に送ることが挙げられる。

なお図１の例では２つの基準クロックを使用しているが、クロック周波数が第１及び第２基準クロックのいずれとも異なる基準クロックをさらに増設する等して、３つ以上の基準クロックを含む構成とし、より広範囲なパルス周波数領域のレーザ出力を得ることもできる。例えば、クロック周波数が１０ＭＨｚの第３の基準クロック（図示せず）を使用すれば、１０ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの周波数のパルスレーザを容易に得ることができる。

本発明に係るレーザ発振器を含むレーザ加工装置の構成例を示す図である。 パルスレーザの波形の一例を示すグラフである。

符号の説明

１０ レーザ発振器
１２ ＣＮＣ
１４ インターフェイスユニット
１６ 通信ＩＣ
１８ スイッチ
２０ カウンタ
２４ レーザ電源
３２ 放電管
５０ レーザ加工部
６２ 第１基準クロック
６４ 第２基準クロック

Claims (3)

1. パルスレーザを出力するレーザ発振器であって、
   各々が一定かつ互いに異なるクロック周波数を出力できるように構成された複数の基準クロックと、
   前記複数の基準クロックから、レーザ出力周波数指令の生成に使用する１つの基準クロックを、与えられた出力指令に基づいて自動的に選定する選定手段と、
   前記選定手段により選定された１つの基準クロックをカウントすることにより、レーザ出力周波数指令に含まれるパルスのオン時間及びオフ時間を計算するためのカウンタと、
   前記オン時間及びオフ時間に基づいてレーザ出力周波数指令を作成する作成手段と、
   を有する、レーザ発振器。
2. 数Ｈｚ〜数十ｋＨｚのレーザ出力周波数範囲を備える、請求項１に記載のレーザ発振器。
3. 請求項１又は２に記載のレーザ発振器を備えたレーザ加工装置。

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