JP6229630B2 - 温度制御装置、およびレーザ加工装置 - Google Patents
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制御できる制御装置を提供することを目的とする。
レーザ光を出射することができる。
Gレーザ35の温度が測定される。そして、ペルチェ素子39によりYAGレーザ35の加熱および冷却が行われる。CPU51は、温度センサ36、37が測定した温度情報をA/Dコンバータ47を介して取得する。そして、目標温度と検出温度とを比較し、ペルチェ駆動情報を算出する。ここで、ペルチェ駆動情報とはペルチェ素子38、39に印加する電圧の極性、および電圧値を決定する。なお、電圧値については、後述のデジタルポテンショメータ62、63による抵抗値を設定することにより決定される。そして、算出したペルチェ駆動情報をペルチェドライバ48へ送信する。ペルチェドライバ48はペルチェ駆動情報に基づき、ペルチェ素子38、39を駆動する。即ち、温度センサ36、37、およびペルチェ素子38、39を用いて、CPU51は励起用半導体レーザ28およびYAGレーザ35の温度制御を行う。これにより、励起用半導体レーザ28およびYAGレーザ35の発振波長が調整される。
ジスタNFET1のゲート端子にゲート信号Sg1が入力される。NチャネルMOSFETトランジスタNFET1のソース端子は接地電圧に、ドレイン端子はDDC64の出力端子O1に電気的に接続される。DDC64の出力端子O1はペルチェ素子38の第1端子T1に電気的に接続される。
VO1=Vref(1+RB/RA1)・・・式(1)
VO2=Vref(1+RB/RA2)・・・式(2)
出力する。これにより、NチャネルMOSFETトランジスタNFET2はオンし、NチャネルMOSFETトランジスタNFET1はオフする。DDC64の出力端子O1、ペルチェ素子38の第1端子T1、第2端子T2、NチャネルMOSFETトランジスタNFET2のドレイン端子、ソース端子、接地電圧の経路で電流が流れる。即ち、ペルチェ素子38の第1端子T1から第2端子T2に電流が流れペルチェ素子38の励起用半導体レーザ28側の電極面は吸熱する。これにより励起用半導体レーザ28は冷却される。一方、励起用半導体レーザ28を加熱する場合には、極性切替え制御部61はハイレベルのイネーブル信号EN2を電圧制御部67へ出力し、ローレベルのイネーブル信号EN1を電圧制御部66へ出力する。また、ハイレベルのゲート信号Sg1をNチャネルMOSFETトランジスタNFET1へ出力し、ローレベルのゲート信号Sg2をNチャネルMOSFETトランジスタNFET2へ出力する。これにより、DDC65は出力電圧VO2を出力し、電圧制御部66は停止する。NチャネルMOSFETトランジスタNFET1はオンし、NチャネルMOSFETトランジスタNFET2はオフする。これにより、DDC65の出力端子O2、ペルチェ素子38の第2端子T2、第1端子T1、NチャネルMOSFETトランジスタNFET1のドレイン端子、ソース端子、接地電圧の経路で電流が流れる。即ち、ペルチェ素子38の第2端子T2から第1端子T1に電流が流れ、ペルチェ素子38の励起用半導体レーザ28側の電極面は発熱し、励起用半導体レーザ28は加熱される。
(S16)。これにより、極性切替え制御部61は動作を開始する。この時、極性切替え制御部61には冷却の設定であるハイレベルの極性信号SPが入力される。これにより、ペルチェ素子38の第1端子T1にはDDC64から出力される出力電圧VO1の最小電圧が印加され、第2端子T2にはNチャネルMOSFETトランジスタNFET2が導通することに応じて接地電圧が印加される。これにより、ペルチェ素子38の励起用半導体レーザ28側の電極面に下限の吸熱量で吸熱する電流が流れる。
定周期は、具体的にはクロック信号の周波数を分周して生成している。このため、期間TC1の半分とすれば簡易に所定周期を生成することができる。また、後述するデッドタイム以上の期間とすることが必要である。デッドタイムは実測値では10ms程度である。
VP=VT1−VT2・・・式(3)
ここで、電圧VT1はペルチェ素子38の第1端子T1の電圧値である。また、電圧VT2はペルチェ素子38の第2端子T2の電圧値である。ステップS50において、CPU51が冷却と設定した場合、ペルチェ素子38の第1端子T1にDDC64の出力電圧VO1が印加され、第2端子T2には接地電圧が印加される。従って、電圧VT1は出力電圧VO1であり(VT1=VO1)、電圧VT2は0Vである(VT2=0)。よって、VP=VO1である。一方、CPU51が加熱と設定した場合、ペルチェ素子38の第2
端子T2にDDC65の出力電圧VO2が印加され、第1端子T1には接地電圧が印加される。従って、電圧VT2は出力電圧VO2であり(VT2=VO2)、電圧VT1は0Vである(VT1=0)。よって、VP=−VO2である。すなわち、電圧VPの絶対値の最小値はDDC64およびDDC65の出力電圧VO1およびVO2の下限電圧値となる。実施形態において、出力電圧VO1およびVO2の下限電圧値は0.8Vである。
プS50へ進む。ステップS50では、PID制御にて極性および出力電圧値が算出される。検出温度は目標温度よりも高温であるため、冷却に設定される。また、算出の結果、印加電圧は0.8Vであるとする。次に、DPM64の可変抵抗RBの抵抗値は0Ωに設定される(S52)。次に、極性信号SPは冷却であるハイレベルに設定される(S54)。これにより、時刻t1から時刻t2に至るまでの間、ペルチェ素子38には0.8Vが印加された状態で励起用半導体レーザ28は冷却され、温度は低下する。
がNチャネルMOSFETトランジスタNFET2を介して短絡するのを防ぐことができる。加熱から冷却へ切り替える場合にも同様に、平滑用コンデンサC2を放電する放電時間と、冷却の電圧が印加される前のデッドタイムが設けられる。
レーザ加工装置1では、ペルチェ素子38、39、励起用半導体レーザ28、YAGレーザ35、ペルチェドライバ48、温度センサ36、37を備えている。励起用半導体レーザ28の温度はペルチェ素子38を利用して目標温度に制御される。また、YAGレーザ35の温度はペルチェ素子39を利用して目標温度に制御される。ペルチェドライバ48はペルチェ素子38および39の端子間に極性の切り替えが可能な電圧を印加する。温度センサ36は励起用半導体レーザ28の温度を検出する。また、温度センサ37はYAGレーザ35の温度を検出する。また、所定周期毎に、CPU51は、ステップS50にて、検出温度と目標温度との高低を判定し、温度差を検出する。そして、検出温度が目標温度に対して高温であると判断すると、極性信号SPを冷却に設定し(S54)、極性切替え制御部61へ出力する。極性切替え制御部61はDDC64へハイレベルのイネーブル信号EN1を出力し、NチャネルMOSFETトランジスタNFET2へハイレベルのゲート信号Sg2を出力する。これにより、DDC64は動作しNチャネルMOSFETトランジスタNFET2はオンする。そして、ペルチェ素子38の励起用半導体レーザ28側の電極面、ペルチェ素子39のYAGレーザ35側の電極面は吸熱する。また、極性信号SPが加熱に設定されると(S54)、ハイレベルのイネーブル信号EN2とゲート信号Sg1とを出力して、DDC65は動作しNチャネルMOSFETトランジスタNFET1はオンする。そして、ペルチェ素子38の励起用半導体レーザ28側の電極面、ペルチェ素子39のYAGレーザ35側の電極面は発熱する。また、ステップS52にて、CPU51は抵抗信号Sr1あるいはSr2を出力し、出力電圧VO1、VO2をDDC64、65から出力する。ステップS44において、検出温度と目標温度との温度差の絶対値が0.3℃より小さいと判断することに応じて、所定周期Tを期間TC1より短期間である期間TC2へ変更する。
0.3℃より小さいと判断することに応じて(S66:YES)、精度の高い温度制御を行うために、所定周期Tを期間TC1より短期間である期間TC2に設定する(S68)。次に、励起用半導体レーザ28は出射中であるか否かを判断する(S70)具体的には、CPU51は、PC7から入力された印字情報に基づいて励起用半導体レーザ28から励起光を出力する駆動パターンを出力中の期間であるか否かを判断する。励起光の出力期間である場合には出射中であると判断し、励起光を出力する駆動パターンをレーザドライバ29に出力するタイミングで、極性信号SPを冷却に設定する。励起用半導体レーザ28は出射中であると判断することに応じて(S70:YES)、極性を冷却に確定し、DPM62の可変抵抗RBの抵抗値を0Ωに維持する(S72)。励起用半導体レーザ28が出射中である期間、励起用半導体レーザ28の発熱により、励起用半導体レーザ28の温度は上昇する。そこで、励起用半導体レーザ28が出射中である場合には、励起用半導体レーザ28を冷却することにより出射動作に伴う発熱による温度上昇を抑制するためである。
ステップS66において、CPU51は検出温度と目標温度との温度差の絶対値が0.3℃より小さいか否かを判定する。また、ステップS64において、レーザ加工装置1が加工中であるか否かを判定する。ステップS64において、レーザ加工装置1が加工中であると判断することに応じて、さらに、ステップS66において、検出温度と目標温度との温度差の絶対値が0.3℃より小さいと判断することに応じて、ステップS68において、所定周期Tを期間TC2に設定する。さらに、ステップS70において、励起用半導体レーザ28がレーザ出射中であるかを判定する。ステップS70において、励起用半導体レーザ28がレーザ出射中であると判断することに応じて、ステップS72において、極性を冷却に確定する。
例えば、実施形態のペルチェドライバ48は2つのDPMを有する構成であると説明したが、DPMを1つだけ有する構成としてもよい。この場合、例えば、DPMの出力端子を2つのDDCの入力端子の何れかに切替えるスイッチをDPMの後段に備える構成とすればよい。また、追加したスイッチはCPU51が出力する極性信号SPに応じて、DPMとDDCとの電気的に接続に切替え可能な構成とする。これにより、回路を簡略化することができる。
ザ28およびYAGレーザ35目標温度にすることができ、短時間で加工を開始することができる。
2 レーザ加工装置本体部
3 レーザコントローラ
5 電源部
6 加工対象物
7 パーソナルコンピュータ
11 レーザ発振器
12 本体ベース
13 レーザ発振ユニット
18 ガルバノスキャナ
19 fθレンズ
27 筐体
28 励起用半導体レーザ
29 レーザドライバ
31 電源
33 光ファイバ
34a、34b 温度検出制御部
35 YAGレーザ
36、37 温度センサ
38、39 ペルチェ素子
45 ガルバノコントローラ
46 ガルバノドライバ
48 ペルチェドライバ
51 CPU
52 RAM
53 ROM
54 タイマ
62、63 デジタルポテンショメータ
64、65 DC/DCコンバータ
66、67 電圧制御部
SP 極性信号
SEN ペルチェイネーブル信号
Sr1、Sr2 抵抗信号
EN1、EN2 イネーブル信号
Sg1、Sg2 ゲート信号
Claims (8)
- 対象機器の温度を目標温度に制御する温度制御装置であって、
ペルチェ素子と、
前記ペルチェ素子の端子間に極性の切り替えが可能な電圧を印加する電圧印加部と、
前記対象機器の温度を検出する温度検出部と、
制御部とを備え、
前記制御部は、第1周期の所定周期ごとに、
前記温度検出部により検出された検出温度と前記目標温度との温度の高低を判定する高低判定処理と、
前記検出温度の前記目標温度からの温度差を検出する温度差検出処理と、
前記高低判定処理により、前記検出温度が前記目標温度に対して高温であると判断されることに応じて、第1の極性の電圧を前記ペルチェ素子に印加して該ペルチェ素子の前記対象機器側の電極面を吸熱させ、前記検出温度が前記目標温度に対して低温であると判断されることに応じて、前記第1の極性とは逆極性の第2の極性の電圧を前記ペルチェ素子に印加して該ペルチェ素子の前記対象機器側の電極面を発熱させる通電制御処理と、
前記温度差検出処理により検出された前記温度差に応じて、前記第1の極性の電圧および前記第2の極性の電圧を制御する電圧制御処理と、
前記温度差検出処理により検出された前記温度差が所定値より小さいことに応じて、前記所定周期を前記第1周期より短周期の第2周期に短縮する周期制御処理とを実行し、
前記温度差の所定値とは、前記電圧制御処理により前記第1の極性の電圧および前記第2の極性の電圧が制限される下限電圧を第2周期の間、前記ペルチェ素子に印加した場合に変動する温度差より大きい値であることを特徴とする温度制御装置。 - 前記対象機器はレーザ加工装置であり、
前記制御部は、
前記温度差検出処理により検出された前記温度差が前記所定値より小さいか否かを判定する温度判定処理と、
前記レーザ加工装置が加工中であるか否かを判定する加工判定処理とを実行し、
前記温度判定処理により前記温度差が前記所定値より小さいと判断し、前記加工判定処理により前記レーザ加工装置が加工中であると判断することに応じて、前記レーザ加工装置の加工中でない場合に比して前記所定周期を前記第2周期に短縮することを特徴とする請求項1に記載の温度制御装置。 - 前記レーザ加工装置は、
励起光を出射する励起用レーザと、
前記励起用レーザから出射された励起光を受光することにより励起されるレーザ媒質を有し、前記レーザ媒質が前記励起光を受光して励起すると、パルスレーザを出射する固体レーザとを備え、
前記温度差は前記励起用レーザにおける前記検出温度と前記目標温度との温度差であることを特徴とする請求項2に記載の温度制御装置。 - 前記電圧印加部は、
第1DC/DCコンバータと、
前記第1DC/DCコンバータの第1出力端子と接地電位との間に電気的に接続される第1トランジスタと、
第2DC/DCコンバータと、
前記第2DC/DCコンバータの第2出力端子と接地電位との間に電気的に接続される第2トランジスタとを備え、
前記ペルチェ素子の第1の端子は前記第1出力端子に電気的に接続され、第2の端子は
前記第2出力端子に電気的に接続されることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の温度制御装置。 - 前記第1DC/DCコンバータおよび前記第2DC/DCコンバータは、単電源で駆動されることを特徴とする請求項4に記載の温度制御装置。
- 加工対象物に印字を行うレーザ加工装置であって、
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器の温度を制御するペルチェ素子と、
前記レーザ発振器の温度を検出する温度検出部と、
前記ペルチェ素子の端子間に極性の切り替えが可能な電圧を印加する電圧印加部と、
制御部とを備え、
前記制御部は、第1周期の所定周期ごとに、
前記温度検出部により検出された検出温度と前記レーザ発振器の目標温度との温度の高低を判定する高低判定処理と、
前記検出温度の前記目標温度からの温度差を検出する温度差検出処理と、
前記高低判定処理により、前記検出温度が前記目標温度に対して高温であると判断されることに応じて、第1の極性の電圧を前記ペルチェ素子に印加して該ペルチェ素子の前記レーザ発振器側の電極面を吸熱させ、前記検出温度が前記目標温度に対して低温であると判断されることに応じて、前記第1の極性とは逆極性の第2の極性の電圧を前記ペルチェ素子に印加して該ペルチェ素子の前記レーザ発振器側の電極面を発熱させる通電制御処理と、
前記温度差検出処理により検出された前記温度差に応じて、前記第1の極性の電圧および前記第2の極性の電圧を制御する電圧制御処理と、
前記温度差検出処理により検出された前記温度差が所定値より小さいことに応じて、前記所定周期を前記第1周期より短周期の第2周期に短縮する周期制御処理とを実行し、
前記温度差の所定値とは、前記電圧制御処理により前記第1の極性の電圧および前記第2の極性の電圧が制限される下限電圧を第2周期の間、前記ペルチェ素子に印加した場合に変動する温度差より大きい値であることを特徴とするレーザ加工装置。 - 前記制御部は、
前記温度差検出処理により検出された前記温度差が所定値より小さくレーザ加工動作中であることに応じて、前記レーザ加工動作の停止中の場合に比して前記所定周期を前記第2周期に短縮し、
更に、前記レーザ加工動作において前記レーザ発振器が出射中であることに応じて、前記通電制御処理において、前記第2の極性の電圧を前記ペルチェ素子に印加して該ペルチェ素子の前記レーザ発振器側の電極面を吸熱させることを特徴とする請求項6に記載のレーザ加工装置。 - 前記電圧印加部は、
第1DC/DCコンバータと、
前記第1DC/DCコンバータの第1出力端子と接地電位との間に電気的に接続される第1トランジスタと、
第2DC/DCコンバータと、
前記第2DC/DCコンバータの第2出力端子と接地電位との間に電気的に接続される第2トランジスタとを備え、
前記ペルチェ素子の第1の端子は前記第1出力端子に電気的に接続され、第2の端子は前記第2出力端子に電気的に接続されることを特徴とする請求項6または7に記載のレーザ加工装置。
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