JP6382883B2 - 実効的駆動時間を算出するレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光源あるいはレーザ発振のための励起光源として使用される光源を備えたレーザ装置に関する。

レーザ装置は、レーザ光源あるいはレーザ発振のための励起光源として使用される光源を備えている。特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５および特許文献６には、レーザ装置の光源の残存寿命を予測することが開示されている。

具体的には、特許文献１には、特定の光出力を発光させるための駆動電流値を基準値にすると共に、この基準値のｎ倍の駆動電流を発光素子交換のための劣化閾値として設定し、それにより、発光素子の寿命を予測することが開示されている。

さらに、特許文献２には、各レーザ発振器の出力が一定になるよう、かつ、前記加工点のパワーが所定のパワーになるように制御し、また、励起用のレーザダイオードの寿命予測を行っていることが開示されている。

さらに、特許文献３には、半導体レーザの劣化による発熱量増加の時系列データに基づいて半導体レーザの寿命予測を行うことが開示されている。

さらに、特許文献４には、パワーセンサが出力した信号が予め定められた条件を満たす場合に電源が励起光源に供給している電流値と、メモリに保存された稼動時間とを用いて、励起光源の寿命を推定することが開示されている。

さらに、特許文献５には、電源が供給する電流と強度測定部が測定する強度との関係を複数サンプリングして作成された電流強度特性と、この電流強度特性に対して理想的な電流強度特性との差に基づいて、レーザ光源の交換時期を予測することが開示されている。

さらに、特許文献６には、レーザダイオードに所定の劣化閾値電流を超える駆動電流が流れた時間の累積時間が、周辺温度毎に予め定められている閾値時間を越えた場合に、レーザダイオードの寿命が近いと判定することが開示されている。

特開平８−２７９６４２号公報 特開２００５−２９４４９３号公報 特開２００５−３１７１７８号公報 特開２００６−２２２４１１号公報 特開２０１１−８６４９６号公報 特許第５１６６４８８号公報

保証や保守の観点からレーザ装置の実効的駆動時間は、レーザ装置の主要部分である光源にとって重要である。光源に一定の標準的な駆動電流のみが供給されている場合には、レーザ装置の駆動時間を求めることは容易である。しかしながら、レーザ装置は、低出力から高出力、および連続レーザ出力からパルスレーザ光出力まで、種々の光出力条件で使用されることが多い。このため、レーザ装置の実際の駆動時間を正確に求めるのは困難である。

また、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５および特許文献６には、低出力から高出力、および連続レーザ出力からパルスレーザ光出力まで、種々の光出力条件で光源を駆動した場合に適用可能な実効的駆動時間を算出することは開示されていない。

さらに、光源の交換時期を予め見越して予算を確保するために、光源の劣化が始まる前の寿命前期から、レーザ装置の残存寿命を把握するのが望ましい。そして、光源の寿命後期においては、交換されるべき光源の準備や光源を交換するタイミングを計るために、残存寿命をさらに高精度で把握することが要求される。

しかしながら、従来技術においては、劣化速度が次第に加速する場合には残存寿命を高精度で把握するのは困難であった。また、レーザ装置に応じて光源の劣化速度は異なるので、残存寿命を把握するのはさらに困難であった。また、特許文献３および特許文献５では、劣化が顕在化するまで残存寿命が推定できないという問題もある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、低出力から高出力、および連続レーザ出力からパルスレーザ光出力まで、種々の光出力条件で使用しても常時正確に光源の実効的駆動時間を算出すると共に、光源の残存寿命を正確に算出することのできるレーザ装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、レーザ光源あるいは励起光源として機能する光源と、前記光源に駆動電流を注入して前記光源を駆動する電源と、前記電源を制御する制御部と、前記光源の寿命負荷率を記録する第一記録部と、該第一記録部の記録結果に基づいて、レーザ装置が実際に駆動される第一時点と該第一時点よりも後の第二時点との間における前記寿命負荷率の時間積分を実効的駆動時間として計算する計算部と、を備え、前記寿命負荷率は、前記光源に標準駆動電流を注入した場合における前記光源の寿命と、前記光源に駆動電流を注入した場合における前記光源の寿命との比である、レーザ装置が提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記光源の使用開始時点から現在時点までの前記寿命負荷率の時間積分を実効的累積駆動時間として記録する第二記録部を備える。
３番目の発明によれば、１番目の発明において、前記寿命負荷率は、前記光源に注入された標準駆動電流と前記光源に注入された駆動電流との比の累乗項を含む関数である。
４番目の発明によれば、１番目の発明において、パルス波形を有する駆動電流の指令値が入力された場合には、前記駆動電流の指令値に基づいて計算された前記寿命負荷率の時間積分と前記駆動電流の実際値に基づいて計算された前記寿命負荷率の時間積分との比について、前記パルス波形の周波数とデューティとを変数とした補正係数を記録する第三記録部を備え、前記計算部は、前記駆動電流の指令値と前記補正係数とに基づいて前記第一時点と前記第二時点との間における前記寿命負荷率の時間積分を計算するようにした。
５番目の発明によれば、４番目の発明において、前記補正係数が第一所定値よりも大きい場合には、前記駆動電流の指令値を変更する旨の表示または警報を出力するか、もしくは前記補正係数が前記第一所定値よりも小さくなるように前記周波数と前記デューティとの組み合わせを変更するようにした。
６番目の発明によれば、２番目の発明において、前記第一記録部は、さらに、前記光源に標準駆動電流を注入した場合における前記光源の寿命を生涯寿命として記録しており、さらに、前記生涯寿命から前記実効的累積駆動時間を減算した残存寿命を計算するようにした。
７番目の発明によれば、６番目の発明において、前記光源の光出力特性から導出可能な第一性能指数と前記光源の生涯寿命との間の相関関係を記録した第四記録部をさらに具備し、該第四記録部に記録された前記相関関係に基づいて、前記光源の前記生涯寿命を変更するようにした。
８番目の発明によれば、２番目の発明において、前記光源の光出力特性を測定する光出力検出部と、前記標準駆動電流にて累積駆動時間だけ駆動した後において前記光源の前記光出力特性から導出可能な第二性能指数と前記光源の期待される残存寿命との間の相関関係を記録した第五記録部とをさらに具備し、前記制御部からの指令により、所定のスケジュールに沿って前記光源の光出力特性を測定したときの測定結果から導出された前記第二性能指数と前記光出力特性を測定するときまでの実効的累積駆動時間と前記第五記録部に記録された記録結果とに基づいて第一推定残存寿命を推定し、該第一推定残存寿命と、前記光源の光出力特性を測定するときまで前記第一記録部に記録された前記光源の前記生涯寿命から前記実効的累積駆動時間を減算した残存寿命との間の偏差が第二所定値以上である場合には、前記偏差がゼロまたは略ゼロになるように、前記生涯寿命を変更するようにした。
９番目の発明によれば、２番目の発明において、前記光源の光出力特性を測定する光出力検出部と、該光出力検出部により検出された前記光出力特性を時間に関連付けて記録する第六記録部と、該第六記録部の記録結果に基づいて前記計算部により計算された第三時点と該第三時点よりも後の第四時点との間の実効的駆動時間を記録する第七記録部と、前記光源の光出力特性から導出可能な第三性能指数についての前記駆動時間に伴う劣化の進行を示した劣化曲線のデータテーブルを記録した第八記録部とを備え、前記制御部からの指令により、所定のスケジュールに沿って前記光源の光出力特性を測定する際に、前記第三時点における前記第三性能指数と前記第四時点における前記第三性能指数との間の偏差を前記実効的駆動時間で除算した前記第三性能指数の劣化速度と、前記第八記録部に記録された前記劣化曲線とを照合して第二推定残存寿命を推定し、該第二推定残存寿命が所定の時間よりも短くなった時点よりも後、または前記第三性能指数の劣化速度が第三所定値よりも大きくなった時点よりも後においては、前記第四時点のときに前記第一記録部に記録された前記光源の前記生涯寿命を前記第二記録部に記録された前記実効的累積駆動時間と前記第二推定残存寿命との和に変更するようにした。
１０番目の発明によれば、６番目の発明において、前記生涯寿命から前記実効的累積時間を減算した前記残存寿命が所定の時間以下になった場合には、表示部に表示された前記残存寿命の色を変化させること、および前記表示部に表示された前記残存寿命を点滅させることのうちの少なくとも一方を実行する。
１１番目の発明によれば、２番目の発明において、前記光源の光出力特性を測定する光出力検出部と、前記光出力特性と、該光出力特性を測定したときまでの前記実効的累積駆動時間と、前記光出力特性を測定したときにおける前記残存寿命とを外部に送信する通信部とを備え、前記制御部からの指令により、所定のスケジュールに沿って前記光源の光出力特性を測定する際に、前記送信部は、前記光源の光出力特性の測定結果とその時点までの前記実効的駆動時間と前記残存寿命とを、前記通信部を通じて、前記レーザ装置とは別の場所に設置された受信部に送信する。

１番目の発明においては、標準駆動電流以外の条件で使用した場合であっても、標準駆動電流で駆動した場合の駆動時間と同等の負荷（寿命消費）を与える実効的駆動時間を、レーザ装置の使用中においても、容易かつ正確に把握することができる。また、低出力から高出力、および連続レーザ出力からパルスレーザ光出力まで、種々の光出力条件で光源を駆動した場合であっても実効的駆動時間を正確に算出できる。さらに、寿命負荷率を簡易に求めることができる。
２番目の発明においては、標準駆動電流以外の条件で使用した場合であっても、実効的累積駆動時間を、レーザ装置の使用中においても、容易かつ正確に把握することができる。
３番目の発明においては、光源への電流値を変数とする累乗項を含む関数を用いて寿命負荷率を計算している。このため、関数に必要な係数等のみを求めればよく、実験等に基づいて寿命負荷率のデータテーブル全体を設定する必要がない。従って、データテーブルの作成工数を削減できる。
４番目の発明においては、高い周波数でパルス駆動した場合等においては、オーバーシュート等により、制御部からの駆動電流指令値の波形が駆動電流実際値の波形に対してずれる可能性がある。寿命に対する負荷の大きさは駆動電流実際値の波形によって定まるので、高速に変化する駆動電流の実際波形を常に測定するのは容易ではない。４番目の発明においては、駆動電流指令値の波形の寿命負荷率と駆動電流実際値の波形との寿命負荷率の差を補正する補正係数のデータテーブルを周波数およびデューティ毎に予め設定しておく。このため、高速で変化する駆動電流実際値の波形を測定することなしに、駆動電流指令値の波形から実効的駆動時間を正確に計算出来る。
５番目の発明においては、寿命への負荷が大きい駆動電流指令値の条件から寿命への負荷が小さい駆動電流指令値の条件に変更することにより、光源の寿命を長くすることができる。さらに、ユーザの意志により、手動切替モードと自動切替モードとを切替えられるようにすることで多くのユーザに受け入れやすくできる。
６番目の発明においては、実効的累積駆動時間の計算開始時点の残存寿命である生涯寿命から、実効的累積駆動時間を減算している。このため、平均寿命（平均的な生涯寿命）に対する推定残存寿命や、標準駆動条件における保証寿命に対する寿命消費率等を、レーザ装置の使用中においても、容易かつ正確に把握することができる。
７番目の発明においては、第一性能指数と光源の生涯寿命との間の相関関係に基づいて、生涯寿命を変更している。これにより、光源の個体差の影響を排除しつつ、光源毎の生涯寿命を設定でき、残存寿命の予測精度を向上させられる。第一性能指数は、例えば標準駆動電流を注入したときの初期光出力である。
８番目の発明においては、光源の初期光出力特性から推定された劣化の個体差を用いて残存寿命を補正する代わりに、定期的に測定した光出力特性からその時点における実際の劣化状態に基づいた個体差を用いて残存寿命を補正している。このため、より高精度に残存寿命を予測できる。第二性能指数は、例えば標準駆動電流を注入した時の光源２の光出力である。
９番目の発明においては、光源の特性の劣化が顕在化する寿命後期において、その時点の光出力特性だけでなく、その劣化速度も考慮して残存寿命を推定している。このため、残存寿命の予測精度が特に重要になる寿命後期において、残存寿命の予測精度をさらに向上させられる。第三性能指数は、例えば所定の光出力を得るための駆動電流である。
１０番目の発明においては、光源の寿命によりシステムがダウンする前に予防保全を図ることができる。
１１番目の発明においては、光源の光出力特性から導出可能な第一性能指数と前記光源の寿命との相関関係を示すデータテーブル、第五記録部、第八記録部に記録するデータテーブルに関する情報等を複数のレーザ装置から継続的に収集することができ、データテーブルの精度が向上し、結果として寿命予測の精度向上を図ることができる。また残存寿命が少なくなってきた状況を適確に把握して、顧客への注意喚起や交換する光源の事前準備が可能になり、レーザ装置が駆動できない時間を最小限に抑えることができる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれら目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明解になるであろう。

本発明に基づくレーザ装置の機能ブロック図である。 駆動電流の比と寿命負荷率との間の関係を示す図である。 時間と駆動電流指令値との間の関係を示す図である。 時間と駆動電流実際値との間の関係を示す図である。 補正係数のマップの一例を示す図である。 本発明に基づく一つの実施例におけるレーザ装置の動作を示すフローチャートである。 標準駆動電流を注入したときの光源の初期光出力と期待される生涯寿命との間の関係を示す図である。 標準駆動電流を注入したときの光源の光出力と、期待される残存寿命との間の関係を示す図である。 相対的駆動時間と、所定の光出力を得るための駆動電流との間の関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明に基づくレーザ装置の機能ブロック図である。図１に示されるように、本発明におけるレーザ装置１は、レーザ光源あるいは励起光源として機能する一つまたは複数の光源２と、光源２を駆動するために光源に駆動電流を注入する一つまたは複数の電源３と、電源３を制御する制御部４と、駆動電流の指令値などを入力する指令部９とを含んでいる。

さらに、レーザ装置１は、各種の計算を実施する計算部６と、計算部６による計算結果および各種のデータを表示する表示部８と、光源２の光出力特性を測定可能な光出力検出部１２と、制御部４に供給された計算部６の計算結果および各種のデータを外部の受信部に送信する通信部１７とを含んでいる。なお、計算部６はハードウェア回路で構成してもよい。また、光出力検出部１２は、後述する第一性能指数〜第三性能指数を検出することもできる。

また、レーザ装置１は後述するデータを記録するための後述する第一記録部５、第二記録部７、第三記録部１０、第四記録部１１、第五記録部１３、第六記録部１４、第七記録部１５および第八記録部１６を含んでいる。これら第一記録部５〜第八記録部１６は互いに物理的に分離したメモリであってもよく、また複数の記録部が一体的な単一のメモリを構成していてもよい。従って、単一のメモリが第一記録部５〜第八記録部１６全ての機能を兼ね備えていても良い。

第一記録部５は、光源２の寿命負荷率を記録する。例えば、寿命負荷率は、光源２に標準駆動電流Ｉｓを注入した場合の光源２の寿命τ（Ｉｓ）と、光源２に駆動電流Ｉｏを注入した場合の光源２の寿命τ（Ｉｏ）との比（＝τ（Ｉｓ）／τ（Ｉｏ））である。この場合には、寿命負荷率をｋ（Ｉｏ）で表すことができる。第一記録部５は、例えばこのようにして算出された寿命負荷率をｋ（Ｉｏ）を実験データなどから求めて記録する。さらに、第一記録部５は、或る時点Ｔｏからの光源２の残存寿命である生涯寿命も記録する。また、第一記録部５は駆動電流Ｉｏと標準駆動電流Ｉｓとの比Ｉｏ／Ｉｓを記録してもよい。

なお、標準駆動電流Ｉｓは光源２を良好に動作させるのに理想的な一定の値を有する駆動電流である。また、駆動電流Ｉｏは光源２を動作させるときに用いた電流値であり、時間に応じて変化しうる。

また、計算部６は、レーザ装置１が実際に駆動されている第一時点Ｔａと該第一時点Ｔａよりも後の第二時点Ｔｂとの間における寿命負荷率の時間積分を第一時点Ｔａと第二時点Ｔｂとの間の実効的駆動時間として計算する（以下の式を参照されたい）。実効的駆動時間は第二記録部７に記録される。

さらに、第二記録部７は実効的累積駆動時間を記録する。実効的累積駆動時間は、或る時点Ｔｏからそれより後の任意の時点Ｔｓまでの寿命負荷率の時間積分であり、以下の式で表される。

なお、時点Ｔｏと時点Ｔｓとの間に第一時点Ｔａと第二時点Ｔｂとが存在するのが好ましい。

或る時点Ｔｏは、どの時点に設定しても良い。しかしながら、光源２毎に異る時点を或る時点Ｔｏとして設定すると生涯寿命がばらつく等の不具合が生じる。このため、光源２が製作されて所定のバーンインを行って出荷可能な製品として完成した時点、あるいは、その後、初めて駆動電流を流してレーザ装置１を駆動させた時点等を或る時点Ｔｏに設定するのが好ましい。言い換えれば、各光源２に対して同じ時点を或る時点Ｔｏに設定するのが望ましい。例えば時点Ｔｏは使用開始時点であり、時点Ｔｓは現在時点である。

また、第二記録部７は、或る時点Ｔｏから最後に光源２を駆動した時点Ｔｐまでの時間積分を最新の実効的累積駆動時間として常に更新しながら記録することができる。最新の実効的累積駆動時間は以下の式で表される。

また、時点Ｔｓを所定の実効的駆動時間毎等に設定して、各時点Ｔｓまでの時間積分を実効的累積駆動時間として第二記録部７に追記していっても良い。これによって、時間の経過に伴う実効的累積駆動時間の推移データの取得等が可能になる。

図２は駆動電流の比と寿命負荷率との間の関係を示す図である。寿命負荷率は第一記録部５に記録される。図２に示されるように、駆動電流Ｉｏと標準駆動電流Ｉｓとの比Ｉｏ／Ｉｓが１である場合には、寿命負荷率ｋ（Ｉｏ）も１である。

しかしながら、比Ｉｏ／Ｉｓが１．５である場合、つまり駆動電流が標準駆動電流の１．５倍である場合には、寿命負荷率ｋ（Ｉｏ）が２．５になる。言い換えれば、駆動電流が標準駆動電流の１．５倍である場合には、標準駆動電流で駆動した場合に比べて、約２．５倍の速さで寿命を消費することになる。従って、同じ駆動時間であっても実効的駆動時間は２．５倍になる。

なお、第一記録部５に記録される実際のデータは、離散的な電流に対するデータであってもよい。テーブルに無い電流値のデータについては、内挿によって容易に算出できる。他の記録部に記録されているデータについても同様である。

ところで、寿命負荷率ｋ（Ｉｏ）として、光源２に注入された標準駆動電流と光源に注入された駆動電流との比の累乗項を含む関数を使用してもよい。例えば以下の通りである。

ここで、ｎは整数であり、α、βは所定数である。これらパラメータｎ、α、βは光源２毎に定まるものとする。このような関数を寿命負荷率として使用した場合には、実験データに基づいて寿命負荷率のデータテーブルを設定する必要がなくなり、データテーブルの作成工数を削減することができる。

第二記録部７に記録される実効的累積駆動時間は、光源２を標準駆動電流以外の電流で駆動した駆動時間を標準駆動電流で駆動した場合の駆動時間に換算している。また、第一記録部５に記録された生涯寿命から実効的累積駆動時間を減算することによって光源２の残存寿命を算出できる。

以上のように、本実施例のレーザ装置１においては、光源２を標準駆動電流以外の電流条件で使用した場合においても、光源２を標準駆動電流で駆動した場合の駆動時間と同等の負荷（寿命消費）を与える実効的駆動時間を常時正確に算出することができる。従って、平均寿命に対する光源の残存寿命や、標準駆動条件における保証寿命に対する寿命消費率等も、レーザ装置１の使用中であっても、何時でも容易にかつ正確に導出できる。その結果、低出力から高出力、および連続レーザ出力からパルスレーザ光出力まで、種々の光出力条件で光源を駆動した場合であっても実効的駆動時間を正確に算出できる。

ところで、図３Ａは時間と駆動電流指令値との間の関係を示す図であり、図３Ｂは時間と駆動電流実際値との間の関係を示す図である。図３Ａおよび図３Ｂから分かるように、駆動電流指令値がパルス波形である場合であっても、駆動電流実際値は完全なパルス波形にはならない。特にパルス波形の周波数が高い場合には、駆動電流指令値に対してオーバーシュートが生じる場合がある。

このため、駆動電流実際値と駆動電流指令値との間の差異を補正するための補正係数を実験等により予め算出している。補正係数ｍ（ｆ、ｄ）は、駆動電流指令値のパルス波形の周波数ｆとデューティｄとを変数とした関数であり、図３Ｃに示されるようにマップ（データテーブル）の形で第三記録部１０に記録されている。なお、補正係数ｍ（ｆ、ｄ）は、電源３に応じて異なるので、電源３毎に異なる補正係数のマップが準備される。

この場合には、実効的駆動時間を以下の式により算出することができる。

この式では、駆動電流実際値を使用していないのが分かるであろう。

従って、高速で変化する駆動電流実際値の波形を測定することなしに、駆動電流指令値から実効的駆動時間を正確に算出することができる。なお、実効的累積駆動時間も同様に算出できるので、駆動電流実際値を測定することなしに、光源２の残存寿命も正確に算出することができる。

ところで、図３Ｃに示される補正係数ｍ（ｆ、ｄ）のデータテーブルは、パルス電流波形の低電流レベル／高電流レベル＝０．９の場合における例である。このため、低電流レベル／高電流レベルが０．９以外の場合のデータテーブルも作成する必要がある。

図３Ｃに示される補正係数ｍ（ｆ、ｄ）のデータテーブルを参照して、例えば周波数が１０ｋＨｚで、デューティが３０％でパルス駆動した場合を考える。この場合には、駆動電流実際値から算出される寿命は、駆動電流指令値から算出される寿命の１．８８７倍であることが分かる。このため、実効的駆動時間も１．８８７倍の速度で増加する。

なお、周波数の低いパルス駆動の場合および一定の駆動電流で連続駆動する場合には、駆動電流指令値と駆動電流実際値との間の差は小さい。このため、この場合には、駆動電流指令値と駆動電流実際値のどちらを使用して実効的駆動時間などを算出してもよい。

図４は本発明に基づく一つの実施例におけるレーザ装置の動作を示すフローチャートである。図４の内容は、パルス波形の駆動電流指令値の周波数およびデューティの組合せを選択する方法を示す。

図４のステップＳ１１において、切替モードが設定され、パルス波形の駆動電流指令値が指令される。そして、ステップＳ１２においてモードの切替が解除されていないと判定された場合には、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３においては、パルス波形の駆動電流指令値の周波数およびデューティとに基づいて第三記録部１０に記録されたデータテーブルから補正係数ｍ（ｆ、ｄ）が読出される。そして、ステップＳ１４においては、補正係数ｍ（ｆ、ｄ）が第一所定値、例えば１．５よりも小さいか否かが判定される。補正係数が第一所定値よりも小さい場合にはステップＳ１８に進み、補正係数が第一所定値よりも小さくない場合にはステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５において自動切替モードであることが判明した場合には、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１６においては、第三記録部１０のテーブルにおいて、読出された補正係数の場所に近くて第一所定値よりも小さくなる新たな補正係数に関連した周波数とデューティとの組み合わせが自動的に選択される。

具体的には、例えば周波数のみを変更して、新たな補正係数を探索するのが好ましい。あるいは、周波数とデューティとの両方、若しくはデューティのみを変更して、新たな補正係数を探索してもよい。

なお、自動切替えモードでない場合には、現在の補正係数および新たな補正係数と、それに関連する周波数およびデューティとを表示部８に表示する（ステップＳ１７）。あるいは、表示部８等を通じて所定の警報を出力しても良い。

次いで、ステップＳ１８において新たな補正係数に関連する周波数およびデューティに変更して、パルス波形の駆動電流を注入する。そして、ステップＳ１９においてパルスレーザ光を出力する。

このように、図４に示される実施形態においては、光源２の寿命への負荷が大きい駆動電流指令値の条件から寿命への負荷が小さい駆動電流指令値の条件に自動的に変更することができ、これにより、光源の寿命を長くすることができる。

さらに、ステップＳ１５に示されるように自動切替モードが選択されているときのみ、駆動電流指令値の条件を自動的に変更できるので、多くのユーザに受け入れられ易くなる。手動切替モードを選択している場合には、良好な加工状態を実現するために補正係数ｍ（ｆ、ｄ）が大きくても、対応する周波数とデューティの組合せを選択したいという要求がありうる。このため、ステップＳ１２に示されるように切替解除モードも選択できるようにしている。従って、補正係数ｍ（ｆ、ｄ）の値に関わらず、指令した周波数とデューティの組合せに基づいて駆動電流を光源２に注入するのが望ましい。

ところで、図１に示される第四記録部１１は、光源２の光出力特性から導出可能な第一性能指数と光源２の生涯寿命との相関関係を示すデータテーブルを記録している。そして、第一性能指数と光源２の生涯寿命との相関関係を示すデータテーブルに基づいて、標準駆動電流Ｉｓを注入した場合の光源２の生涯寿命を、光源２毎の第一性能指数の差異を考慮して設定する。

第一性能指数は例えば標準駆動電流を注入したときの光源２の初期光出力である。図５は標準駆動電流を注入したときの光源の初期光出力と期待される生涯寿命との間の関係を示す図である。図５に示されるように、標準駆動電流での初期光出力が例えば１ｋＷの場合は期待される生涯寿命は約５００００時間である。そして、初期光出力が１．１ｋＷの場合には期待される生涯寿命は約５３５００時間になり、この新たな生涯寿命を第一記録部５に記録された生涯寿命と置き換える。第四記録部１１から生涯寿命を読出すのは最初の１度だけなので第四記録部１１は必ずしもレーザ装置１内に装備する必要はない。

ところで、図１に示される第五記録部１３は光源２の光出力特性から導出可能な第二性能指数と期待される残存寿命との相関関係を示すデータテーブルを記録している。第二性能指数は、例えば標準駆動電流を注入した時の光源２の光出力である。図６は標準駆動電流を注入したときの光源の光出力と、期待される残存寿命との間の関係を示す図である。

図６には複数の実線が示されている。複数の実線のそれぞれは、標準駆動電流Ｉｓにおいて既に駆動された異なる累積駆動時間の場合を示している。図６から分かるように、複数の実線のそれぞれにおいては、光出力が大きくなるほど、期待される残存寿命は長くなる。そして、累積駆動時間が長いほど、期待される残存寿命は短くなる。

制御部４からの指令により、所定のスケジュールに沿って光出力検出部１２は光源２の光出力特性の測定を行う。そして、光出力特性測定時までの累積駆動時間から、複数の実線のうちのいずれかを選択する。光出力特性の測定結果から導出した第二性能指数（光出力）と選択された実線とに基づいて、期待される残存寿命を決定する。図６における、期待される残存寿命を適宜、第一推定残存寿命と呼ぶ。

例えば累積駆動時間が２００００時間のときに光出力検出部１２により検出された光出力が１ｋＷであったとする。この場合、図６における累積駆動時間が２００００時間のときの実線が選択される。そして、光出力が１ｋＷであるので、期待される残存寿命、つまり第一推定残存寿命は約８８６００時間である。

そして、第一記録部５に既に記録されている生涯寿命から実効的累積駆動時間を減算して残存寿命を求める。この残存寿命と第一推定残存寿命との間の偏差が第二所定値以上である場合には、偏差がゼロまたは略ゼロになるように、新たな生涯寿命を算出する。

生涯寿命は累積駆動時間および残存寿命の和であるので、この場合における新たな生涯寿命は１０８６００（＝２００００＋８８６００）時間である。そして、第一記録部５に記録されている生涯寿命を新たに算出した生涯寿命に置き換える。このように所定のスケジュールに沿って測定した光出力特性からその時点の実際の劣化状態に基づいた個体差で補正することにより、より高精度に残存寿命を予測出来る。

なお、所定のスケジュールにおいては、例えば寿命前期においては比較的長時間毎に測定すると共に、寿命後期においては比較的短時間毎に測定するものであるのが好ましい。つまり、残存寿命が短くなるほど、測定頻度が高くなるのが好ましい。これにより、残存寿命を高度に予測できる。ただし、所定のスケジュールが定期的な測定であってもい。後述する所定のスケジュールも同様である。

ところで、図１に示される第六記録部１４は、光出力検出部１２により検出された光源２の光出力特性を時間に関連付けて記録する。第六記録部１４は、光出力検出部１２が定期的に測定した光出力特性のうち、最新の光出力特性およびその測定時点と、該最新の光出力特性よりも一つ前の測定時点およびそのときの光出力特性とを記録すればよい。

さらに、図１に示される第七記録部１５は第三時点Ｔ３と該第三時点よりも後の第四時点Ｔ４との間において計算部６により計算された以下の実効的駆動時間を記録する。第三時点Ｔ３および第四時点Ｔ４は時点Ｔｏと時点Ｔｐとの間にあるのが好ましい。

さらに、図１に示される第八記録部１６は、光源２の光出力特性から導出可能な第三性能指数についての駆動時間に伴う光源２の劣化の進行を示した複数の劣化曲線のデータテーブルを記録している。第三性能指数は、例えば所定の光出力を得るための駆動電流である。

図７は相対的駆動時間と、所定の光出力を得るための駆動電流との間の関係を示す図である。図７に示される例においては、所定の光出力を得るための駆動電流の上限が一定値、例えば１４Ａに設定されている。

そして、制御部４からの指令により、所定のスケジュールに沿って光源２の光出力特性の測定を行う。そして、図７に示される劣化曲線を参照すると、時点Ｔ３における所定の光出力を得るための駆動電流値は８．５Ａであり、時点Ｔ４において所定の光出力を得るための駆動電流値は１０Ａである。なお、図７に示される例においては、時点Ｔ３と時点Ｔ４との間における実効的駆動時間は３０００時間であるものとする。そして、図７においてＹ軸方向に延びる矢印の長さは、第三性能指数Ｓ（Ｔ）の劣化量＝｜Ｓ（Ｔ１）−Ｓ（Ｔ２）｜＝１．５Ａを表している。

この場合、光源２の劣化速度は、第三性能指数Ｓ（Ｔ）の劣化量＝｜Ｓ（Ｔ１）−Ｓ（Ｔ２）｜を実効的駆動時間により除算することで得られる。そして、時点Ｔ４において所定の光出力を得るための駆動電流値１０Ａにおける勾配が、算出された劣化速度に一致する劣化曲線を図７から選択する。
そして、選択された劣化曲線上の時点Ｔ４における点から、光源２の残存寿命を推定する。図７においては駆動電流の上限が１４Ａに設定されている。選択された劣化曲線において駆動電流が１４Ａになる点に対応する時点から残存寿命を把握できる。図７においては、時点Ｔ４（８４２００時点）と時点Ｔ５（７９６００時間）との間の時間（４６００時間）が推定残存寿命（適宜、第二推定残存寿命と呼ぶ）である。

そして、第二推定残存寿命が、所定の時間より短くなった時点、あるいは第三性能指数の劣化速度が第三所定値より大きくなった時点から後においては、第二記録部７に記録された実効的累積駆動時間に第二推定残存寿命を加算して新たな生涯寿命を算出する。そして、第一記録部５に記録された生涯寿命を新たな生涯寿命に置換える。

このように、光源２の特性劣化が顕在化する寿命後期において、その時点の光出力特性だけでなく、その劣化速度をも考慮して残存寿命を推定している。このため、残存寿命の予測精度が特に重要になる寿命後期の残存寿命の予測精度が更に向上させられる。

さらに、残存寿命を表示部８に表示させるのが好ましい。そして、残存寿命が所定の時間以下になった時点で、制御部４からの指令により、残存寿命の表示色の変化および／または残存寿命の表示を点滅させてもよい。さらに、光源２の交換準備を行うことを促す警告を表示部８に出力させてもよい。さらに、警告を出す前に、交換する光源の準備を促す注意報を出すようにしても良い。

前述したように本発明では寿命終期の残存寿命の予測精度を向上させられる。このため、光源２を早く交換し過ぎることなしに、光源２の寿命が尽きる前には確実に光源２を交換することができる。従って、保守コストを下げることができる。

さらに、図１に示される通信部１７は、光源２の光出力特性の測定結果とその時点までの実効的累積駆動時間とその時点での残存寿命等を、レーザ装置１から遠方にある外部の受信部まで送信することができる。受信部は複数のレーザ装置のそれぞれの通信部に接続されているのが好ましい。

これにより、第四記録部１１、第五記録部１３、第八記録部１６等に記録されたデータテーブルに関する情報を複数のレーザ装置から継続的に収集することができる。従って、第四記録部１１、第五記録部１３、第八記録部１６等に記録するデータテーブルの精度が向上し、結果として寿命予測の精度向上を更に図ることができる。このように実効的累積駆動時間は非常に重要な情報である。そのため、光源２の個体差等で残存寿命を修正する場合にも、実効的累積駆動時間は一切修正せず、生涯寿命を修正するようにしている。

また、実効的累積駆動時間と光出力特性に加えて、通信部１７により残存寿命を送信してもよい。この場合には、残存寿命が少なくなってきた状況をレーザ装置製作業者が適確に把握して、顧客へ注意喚起できたり、交換される光源２の事前準備が可能になる。それゆえ、レーザ装置１が駆動できない時間を最小限に抑えることができる。

さらに、光源２の光出力特性を測定するタイミングだけでなく、予め複数の寿命確認時間を設定しておき、残存寿命が減少して複数の寿命確認時間に到達する毎に、残存寿命を送信するようにしても良い。

典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、前述した変更および種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

１ レーザ装置
２ 光源
３ 電源
４ 制御部
５ 第一記録部
６ 計算部
７ 第二記録部
８ 表示部
９ 指令部
１０ 第三記録部
１１ 第四記録部
１２ 光出力検出部
１３ 第五記録部
１４ 第六記録部
１５ 第七記録部
１６ 第八記録部
１７ 通信部

Claims (11)

1. レーザ光源あるいは励起光源として機能する光源（２）と、
   前記光源に駆動電流を注入して前記光源を駆動する電源（３）と、
   前記電源を制御する制御部（４）と、
   前記光源の寿命負荷率を記録する第一記録部（５）と、
   該第一記録部の記録結果に基づいて、レーザ装置が実際に駆動される第一時点と該第一時点よりも後の第二時点との間における前記寿命負荷率の時間積分を実効的駆動時間として計算する計算部（６）と、を備え、
   前記寿命負荷率は、前記光源に標準駆動電流を注入した場合における前記光源の寿命と、前記光源に駆動電流を注入した場合における前記光源の寿命との比である、レーザ装置（１）。
2. 前記光源の使用開始時点から現在時点までの前記寿命負荷率の時間積分を実効的累積駆動時間として記録する第二記録部（７）を備える、請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記寿命負荷率は、前記光源に注入された標準駆動電流と前記光源に注入された駆動電流との比の累乗項を含む関数である、請求項１に記載のレーザ装置。
4. パルス波形を有する駆動電流の指令値が入力された場合には、前記駆動電流の指令値に基づいて計算された前記寿命負荷率の時間積分と前記駆動電流の実際値に基づいて計算された前記寿命負荷率の時間積分との比について、前記パルス波形の周波数とデューティとを変数とした補正係数を記録する第三記録部（１０）を備え、
   前記計算部は、前記駆動電流の指令値と前記補正係数とに基づいて前記第一時点と前記第二時点との間における前記寿命負荷率の時間積分を計算するようにした、請求項１に記載のレーザ装置。
5. 前記補正係数が第一所定値よりも大きい場合には、前記駆動電流の指令値を変更する旨の表示または警報を出力するか、もしくは前記補正係数が前記第一所定値よりも小さくなるように前記周波数と前記デューティとの組み合わせを変更するようにした、請求項４に記載のレーザ装置。
6. 前記第一記録部は、さらに、前記光源に標準駆動電流を注入した場合における前記光源の寿命を生涯寿命として記録しており、
   さらに、前記生涯寿命から前記実効的累積駆動時間を減算した残存寿命を計算するようにした、請求項２に記載のレーザ装置。
7. 前記光源の光出力特性から導出可能な第一性能指数と前記光源の生涯寿命との間の相関関係を記録した第四記録部（１１）をさらに具備し、
   該第四記録部に記録された前記相関関係に基づいて、前記光源の前記生涯寿命を変更するようにした、請求項６に記載のレーザ装置。
8. 前記光源の光出力特性を測定する光出力検出部（１２）と、
   前記標準駆動電流にて累積駆動時間だけ駆動した後において前記光源の前記光出力特性から導出可能な第二性能指数と前記光源の期待される残存寿命との間の相関関係を記録した第五記録部（１３）とをさらに具備し、
   前記制御部からの指令により、所定のスケジュールに沿って前記光源の光出力特性を測定したときの測定結果から導出された前記第二性能指数と前記光出力特性を測定するときまでの実効的累積駆動時間と前記第五記録部に記録された記録結果とに基づいて第一推定残存寿命を推定し、
   該第一推定残存寿命と、前記光源の光出力特性を測定するときまで前記第一記録部に記録された前記光源の前記生涯寿命から前記実効的累積駆動時間を減算した残存寿命との間の偏差が第二所定値以上である場合には、前記偏差がゼロまたは略ゼロになるように、前記生涯寿命を変更するようにした、請求項２に記載のレーザ装置。
9. 前記光源の光出力特性を測定する光出力検出部（１２）と、
   該光出力検出部により検出された前記光出力特性を時間に関連付けて記録する第六記録部（１４）と、
   該第六記録部の記録結果に基づいて前記計算部により計算された第三時点と該第三時点よりも後の第四時点との間の実効的駆動時間を記録する第七記録部（１５）と、
   前記光源の光出力特性から導出可能な第三性能指数についての前記駆動時間に伴う劣化の進行を示した劣化曲線のデータテーブルを記録した第八記録部（１６）とを備え、
   前記制御部からの指令により、所定のスケジュールに沿って前記光源の光出力特性を測定する際に、前記第三時点における前記第三性能指数と前記第四時点における前記第三性能指数との間の偏差を前記実効的駆動時間で除算した前記第三性能指数の劣化速度と、前記第八記録部に記録された前記劣化曲線とを照合して第二推定残存寿命を推定し、
   該第二推定残存寿命が所定の時間よりも短くなった時点よりも後、または前記第三性能指数の劣化速度が第三所定値よりも大きくなった時点よりも後においては、前記第四時点のときに前記第一記録部に記録された前記光源の前記生涯寿命を前記第二記録部に記録された前記実効的累積駆動時間と前記第二推定残存寿命との和に変更するようにした、請求項２に記載のレーザ装置。
10. 前記生涯寿命から前記実効的累積時間を減算した前記残存寿命が所定の時間以下になった場合には、表示部に表示された前記残存寿命の色を変化させること、および前記表示部に表示された前記残存寿命を点滅させることのうちの少なくとも一方を実行する請求項６に記載のレーザ装置。
11. 前記光源の光出力特性を測定する光出力検出部（１２）と、
    前記光出力特性と、該光出力特性を測定したときまでの前記実効的累積駆動時間と、前記光出力特性を測定したときにおける前記残存寿命とを外部に送信する通信部（１７）とを備え、
    前記制御部からの指令により、所定のスケジュールに沿って前記光源の光出力特性を測定する際に、前記送信部は、前記光源の光出力特性の測定結果とその時点までの前記実効的駆動時間と前記残存寿命とを、前記通信部を通じて、前記レーザ装置とは別の場所に設置された受信部に送信する、請求項２に記載のレーザ装置。

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