JP6503175B2 - 半導体レーザ発振器及びレーザ加工機 - Google Patents

Description

本発明は、レーザを射出する半導体レーザ発振器、及び、半導体レーザ発振器より射出されたレーザによって被加工材を加工するレーザ加工機に関する。

半導体レーザ発振器より射出されたレーザを用いて、金属の板材等の被加工材を加工するレーザ加工機が普及している。半導体レーザ発振器は、複数のレーザダイオードモジュールを搭載することがある。

レーザダイオードモジュールにアナログ電圧を印加すると、レーザダイオードモジュールは印加されたアナログ電圧に応じたパワーのレーザを射出する。具体的には、レーザダイオードモジュール内のレーザダイオードには、アナログ電圧に応じた電流値が供給され、レーザダイオードが射出するレーザのパワーは供給される電流値によって決まることになる。

特開２０１２−１７４７２０号公報 特開２００５−１６６２３７号公報

半導体レーザ発振器が複数のレーザダイオードモジュールを搭載しているとき、個々のレーザダイオードで特性が異なるため、全てのレーザダイオードモジュールに同じアナログ電圧を印加しても、出力されるパワーが同じになるとは限らない。

よって、半導体レーザ発振器に対する指令出力値を例えば２０００Ｗとし、指令出力値２０００Ｗに対応したアナログ電圧を複数のレーザダイオードモジュールに印加しても、半導体レーザ発振器が射出するレーザの実出力値は、２０００Ｗとならないことがある。

レーザ発振器より射出されたレーザによって被加工材を加工するレーザ加工機において、加工する被加工材の厚さや材質等に応じて必要なパワーは異なる。レーザの実出力値がばらつけば、加工品質に悪影響を及ぼしてしまう。

本発明は、射出するレーザの実出力値のばらつきを抑え、実出力値を指令出力値に近付けることができる半導体レーザ発振器、及び、良好な加工品質を得ることができるレーザ加工機を提供することを目的とする。

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、レーザを射出するレーザダイオードモジュールと、前記レーザダイオードモジュールがレーザを射出するよう、前記レーザダイオードモジュールにアナログ電圧を印加するアナログ電圧出力部と、前記レーザダイオードモジュールによって射出させるレーザのパワーを指令するための複数ポイントの指令出力値と、前記レーザダイオードモジュールによって前記複数ポイントの指令出力値それぞれでレーザを射出させたときに、前記レーザダイオードモジュールによって実際に射出されるレーザのパワーを示す実出力値と、前記複数ポイントの指令出力値それぞれに対応して、前記アナログ電圧出力部が出力すべきアナログ電圧との対応を示し、さらに、前記複数ポイントにおける少なくとも１つの隣接するポイント間の実出力値をオフセットさせるための中間オフセット値が設定された特性データを保持する保持部とを備え、前記複数ポイントまたは前記複数ポイント以外の所定の指令出力値が入力されたとき、前記アナログ電圧出力部は、前記特性データに基づいて、前記所定の指令出力値が実出力値となる補正アナログ電圧を計算して、前記補正アナログ電圧を前記レーザダイオードモジュールに印加する半導体レーザ発振器を提供する。

上記の半導体レーザ発振器において、前記アナログ電圧出力部は、隣接するポイント間に中間オフセット値が設定されていない場合には、隣接するポイントそれぞれの実出力値を結ぶ直線によって決まる演算式を用いて、前記補正アナログ電圧を計算し、隣接するポイント間に中間オフセット値が設定されている場合には、隣接するポイントの一方の実出力値と、隣接するポイントそれぞれの実出力値を結ぶ直線によって決まる中間の実出力値を前記中間オフセット値だけオフセットしたオフセット中間値とを結ぶ第１の直線と、前記オフセット中間値と、隣接するポイントの他方の実出力値とを結ぶ第２の直線とのそれぞれで決まる演算式を用いて、前記補正アナログ電圧を計算することが好ましい。

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、上記の半導体レーザ発振器より射出されたレーザを用いて被加工材を加工するレーザ加工ユニットを備えることを特徴とするレーザ加工機を提供する。

本発明の半導体レーザ発振器によれば、射出するレーザの実出力値のばらつきを抑え、実出力値を指令出力値に近付けることができる。本発明のレーザ加工機によれば、良好な加工品質を得ることができる。

一実施形態のレーザ加工機の全体的な構成を示す斜視図である。 一実施形態の半導体レーザ発振器を示すブロック図である。 図２中のレーザダイオードモジュール１１３の具体的な構成例を示すブロック図である。 個々のレーザダイオードモジュール1131〜113nのさらに具体的な構成例を示すブロック図である。 図２において、パーソナルコンピュータ１０から半導体レーザ発振器１１へと供給される特性データの一例を示す図である。 図２中のアナログ電圧出力部１１２が補正アナログ電圧を計算する動作を説明するための特性図である。 隣接するポイント間の中間ポイントのオフセット機能を説明するための第１の例を示す図である。 隣接するポイント間の中間ポイントのオフセット機能を説明するための第２の例を示す図である。 中間オフセット値が設定された特性データの一例を示す図である。

以下、一実施形態の半導体レーザ発振器及びレーザ加工機について、添付図面を参照して説明する。本実施形態のレーザ加工機１００は、レーザによって被加工材を切断加工するレーザ切断加工機である場合を例とする。

レーザ加工機は、レーザによって被加工材を溶接加工するレーザ溶接加工機、レーザによって被加工材の表面を改質する表面改質装置、レーザによって被加工材にマーキングするマーキング装置であってもよい。

図１を用いて、レーザ加工機１００の全体的な構成及び動作を説明する。レーザ加工機１００は、レーザＬＢを生成して射出する半導体レーザ発振器（以下、レーザ発振器）１１と、レーザ加工ユニット１５と、レーザＬＢをレーザ加工ユニット１５へと伝送するプロセスファイバ１２とを備える。

プロセスファイバ１２は、レーザ加工ユニット１５に配置されたＸ軸及びＹ軸のケーブルダクト（図示せず）に沿って装着されている。

レーザ加工ユニット１５は、被加工材Ｗを載せる加工テーブル２１と、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在である門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在であるＹ軸キャリッジ２３とを有する。また、レーザ加工ユニット１５は、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット２９を有する。

コリメータユニット２９は、プロセスファイバ１２の出力端から射出されたレーザＬＢを略平行光束とするコリメータレンズ２８と、略平行光束に変換されたレーザＬＢをＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー２５とを有する。また、コリメータユニット２９は、ベンドミラー２５で反射したレーザＬＢを集光させる集光レンズ２７と、加工ヘッド２６とを有する。

コリメータレンズ２８、ベンドミラー２５、集光レンズ２７、加工ヘッド２６は、予め光軸が調整された状態でコリメータユニット２９内に固定されている。焦点位置を補正するために、コリメータレンズ２８がＸ軸方向に移動するように構成されていてもよい。

コリメータユニット２９は、Ｙ軸方向に移動自在のＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸方向に移動自在のＸ軸キャリッジ２２に設けられている。よって、レーザ加工ユニット１５は、加工ヘッド２６をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させて、被加工材Ｗ上の所望の位置にレーザＬＢを照射させることができる。

以上の構成によって、レーザ加工機１００は、レーザ発振器１１より射出されたレーザＬＢをプロセスファイバ１２によってレーザ加工ユニット１５へと伝送させ、高エネルギ密度の状態で被加工材Ｗに照射して被加工材Ｗを切断加工することができる。

なお、被加工材Ｗを切断加工するとき、被加工材Ｗには溶融物を除去するためのアシストガスが噴射される。図１では、アシストガスを噴射する構成については図示を省略している。

次に、レーザ発振器１１の具体的な構成及び動作を説明する。

図２に示すように、レーザ発振器１１には、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣ）１０が接続されている。図１では、ＰＣ１０の図示が省略されている。ＰＣ１０は、レーザ発振器１１が射出するレーザＬＢのパワーを指令する。ＰＣ１０が指令するパワーが指令出力値である。ＰＣ１０には、実出力値を指令出力値に近付けるための特性データが設定される。特性データの詳細については後述する。

レーザ発振器１１は、レーザ発振器１１を制御する発振器制御部１１１と、アナログ電圧出力部１１２と、レーザダイオードモジュール１１３と、電力供給部１１４とを有する。発振器制御部１１１は、例えば、プログラマブルロジックコントローラによって構成することができる。電力供給部１１４は、レーザ発振器１１の電力が必要な各部に電力を供給する。

ＰＣ１０とレーザ発振器１１とは、ネットワーク１３ａで接続されている。発振器制御部１１１とアナログ電圧出力部１１２とは、ネットワーク１３ｂで接続されている。ネットワーク１３ａとネットワーク１３ｂとは同じネットワークであってもよい。

ＰＣ１０に設定されている特性データは発振器制御部１１１に転送され、発振器制御部１１１は特性データを保持する。発振器制御部１１１は、特性データを保持する保持部である。

アナログ電圧出力部１１２は、発振器制御部１１１に保持されている特性データを参照して、指令出力値に対応するアナログ電圧Ｖａを出力する。レーザダイオードモジュール１１３には、アナログ電圧Ｖａが印加される。なお、厳密には、レーザダイオードモジュール１１３に印加されるアナログ電圧Ｖａは、後述する補正アナログ電圧である。

レーザダイオードモジュール１１３は、印加されたアナログ電圧Ｖａに応じた電流値に基づく所望のパワーのレーザＬＢを射出して、プロセスファイバ１２に供給する。

詳細には、図３に示すように、レーザダイオードモジュール１１３は、レーザダイオードモジュール1131〜113nで示すｎ個のレーザダイオードモジュールにより構成されている。レーザダイオードモジュール1131〜113nそれぞれより射出されたレーザは、コンバイナ１１５で合成されて、プロセスファイバ１２に供給される。図２では、コンバイナ１１５の図示が省略されている。

アナログ電圧出力部１１２より出力されたアナログ電圧Ｖａは、レーザダイオードモジュール1131〜113nに共通に印加される。

図４に示すように、レーザダイオードモジュール1131〜113nは、印加されたアナログ電圧Ｖａに応じた駆動電流Ｉdriveを出力する電流生成部1113と、駆動電流Ｉdriveが入力されることによってレーザを射出するレーザダイオード2113とを含む。

ところで、レーザダイオードモジュール1131〜113nは、例えばファイバレーザである。この場合、レーザ発振器１１が射出するレーザＬＢの波長は、例えば１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍである。

レーザダイオードモジュール1131〜113nは、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）であってもよい。この場合、レーザ発振器１１が射出するレーザＬＢの波長は、例えば４００ｎｍ〜１５００ｎｍである。レーザ発振器１１がＤＤＬである場合、２波長以上のレーザＬＢを射出してもよい。

引き続き、レーザ発振器１１が射出するレーザＬＢの実出力値のばらつきを抑え、実出力値を指令出力値に近付けるための手法を説明する。

まず、オペレータは、準備１として、ＰＣ１０に、レーザ発振器１１の指令出力値と、レーザダイオードモジュール１１３に印加するアナログ電圧との関係を設定する。指令出力値とアナログ電圧との関係は、レーザ発振器１１の仕様に合わせて設定すればよい。

例えば、レーザ発振器１１の仕様は、最大指令出力値が２０００Ｗでアナログ電圧が１０Ｖ、指令出力値が１０００Ｗでアナログ電圧が５Ｖ、または、最大指令出力値が４０００Ｗでアナログ電圧が１０Ｖ、指令出力値が２０００Ｗでアナログ電圧が５Ｖのようになっている。本実施形態では、最大指令出力値を４０００Ｗとする。

最大指令出力値をＰmax、所定の指令出力値をＰ、指令出力値Ｐに対応したアナログ電圧をＶａとすると、アナログ電圧Ｖａは、Ｖａ＝（１０×Ｐ）／Ｐmaxで計算することができる。ＰＣ１０に、指令出力値Ｐ（Ｐmaxを含む）とアナログ電圧Ｖａとの対応関係を示すデータを予め設定しておく。

次に、オペレータは、準備２として、複数の指令出力値に対する実出力値を測定して、ＰＣ１０に、指令出力値と実出力値との対応関係を設定する。本実施形態においては、指令出力値と実出力値との対応関係を１０ポイントで設定する。なお、実出力値は、図１におけるプロセスファイバ１２の出力端でのパワーとする。

以上の準備１，２によって、ＰＣ１０には、図５に示すような特性データが設定される。図５に示す例では、指令出力値を、２００Ｗ，４００Ｗ，６００Ｗ，８００Ｗ，１０００Ｗ，１５００Ｗ，２０００Ｗ，２５００Ｗ，３０００Ｗ，４０００Ｗの１０ポイントとしたときのそれぞれの実出力値と、アナログ電圧出力部１１２が出力するアナログ電圧との関係を示している。

図５に示す例では、指令出力値が比較的小さい領域では実出力値が指令出力値よりも小さくなる傾向にあり、指令出力値が比較的大きい領域では実出力値が指令出力値よりも大きくなる傾向にある。この特性は一例であり、図５に示す実出力値の数値も一例である。

特性データには、最大指令出力値以下の範囲を適宜の間隔で設定した複数ポイントの指令出力値と、それぞれの指令出力値に対応する実出力値とアナログ電圧とを設定すればよい。

レーザ加工機１００の動作時に、図５に示す特性データは、ＰＣ１０から発振器制御部１１１に供給されて保持される。アナログ電圧出力部１１２は、発振器制御部１１１に保持されている特性データに基づいて、指令出力値が得られるアナログ電圧を計算する。アナログ電圧出力部１１２が計算によって求めた指令出力値が得られるアナログ電圧を補正アナログ電圧と称することとする。

補正アナログ電圧の求め方は次のとおりである。アナログ電圧出力部１１２は、特性データに基づいて、図６に示すような、指令出力値と実出力値との関係を示す折れ線グラフを作成する。隣接する２点を結ぶ直線は、指令出力値をｘ、実出力値をｙとして、１次式ｙ＝ａｘ＋ｂで表すことができる。

アナログ電圧出力部１１２は、それぞれの２点間の直線の傾きａと切片ｂを求めることによって、補正アナログ電圧を求めるための演算式を生成する。それぞれの実出力値ｙを得るための指令出力値ｘは、ｘ＝（ｙ−ｂ）／ａで計算される。

一例として、実出力値３０００Ｗを得たい場合で説明する。図６に示すように、実出力値３０００Ｗに対応する指令出力値が決まり、その指令出力値に対応する補正アナログ電圧が７．０２Ｖと決まる。

アナログ電圧出力部１１２が補正アナログ電圧７．０２Ｖをレーザダイオードモジュール１１３に印加すれば、実出力値３０００Ｗが得られることになる。

即ち、オペレータがＰＣ１０によってレーザ発振器１１に対して指令出力値３０００Ｗを指定したとすると、アナログ電圧出力部１１２は、図５に示す指令出力値３０００Ｗに対応したアナログ電圧７．５０Ｖをレーザダイオードモジュール１１３に印加しない。アナログ電圧出力部１１２は、実出力値３０００Ｗが得られる補正アナログ電圧７．０２Ｖを計算し、補正アナログ電圧７．０２Ｖをレーザダイオードモジュール１１３に印加する。

このように、アナログ電圧出力部１１２は、ＰＣ１０によって入力された指令出力値が得られる実出力値に対応した補正アナログ電圧を、得ようとする実出力値が位置する区間の演算式を用いて求めればよい。

本実施形態は、実出力値を指令出力値にさらに近付けるために、次のような中間ポイントのオフセット機能を有する。いずれかの区間で、補正アナログ電圧をレーザダイオードモジュール１１３に印加しても指令出力値と実出力値とに差が生じる場合に、中間ポイントのオフセット機能を用いればよい。

図７に示す第１の例は、図５のポイント７，８間の中間ポイントをオフセットさせる場合を示している。図７の（ａ）において、実出力値２１００Ｗと２６６０Ｗとの中間ポイントである２３８０Ｗを指令出力値としたとする。

前述のように、アナログ電圧出力部１１２は、実出力値２３８０Ｗが得られる補正アナログ電圧Ｑ０を計算して、レーザダイオードモジュール１１３に印加する。このとき、実際に得られた実出力値が２２８０Ｗであったとする。

このとき、ポイント７，８間の中間オフセット値を−１００Ｗと設定すると、図７の（ｂ）に示すように、ポイント７，８間の直線を、実出力値２１００Ｗと実出力値２２８０Ｗとを結ぶ直線と、実出力値２２８０Ｗと実出力値２６６０Ｗとを結ぶ直線とに分割することができる。図６の折れ線グラフは、ポイント７，８間では図７の（ｂ）に示すように変更される。

隣接するポイント７，８間に中間オフセット値が−１００Ｗと設定されていれば、ポイント７，８の実出力値を結ぶ直線によって決まる中間の実出力値を−１００Ｗだけオフセットした実出力値が白丸で示すオフセット中間値となる。

この場合、アナログ電圧出力部１１２は、隣接するポイント７，８の一方の実出力値２１００Ｗとオフセット中間値とを結ぶ第１の直線と、オフセット中間値と隣接するポイント７，８の他方の実出力値２６６０Ｗとを結ぶ第２の直線とのそれぞれで決まる演算式を用いて、補正アナログ電圧を計算する。

よって、オペレータがＰＣ１０によってレーザ発振器１１に対して指令出力値2380Ｗを指定したとすると、アナログ電圧出力部１１２は、図７の（ａ）の場合のアナログ電圧Ｑ０よりも高いアナログ電圧Ｑ１を補正アナログ電圧として出力する。これによって、実出力値を指令出力値の２３８０Ｗにさらに近付けることができる。

図８に示す第２の例は、図５のポイント８，９間の中間ポイントをオフセットさせる場合を示している。図８の（ａ）において、実出力値２６６０Ｗと３２１０Ｗとの中間ポイントである２９３５Ｗを指令出力値としたとする。

アナログ電圧出力部１１２は、実出力値２９３５Ｗが得られる補正アナログ電圧Ｑ０を計算して、レーザダイオードモジュール１１３に印加する。このとき、実際に得られた実出力値が３０３５Ｗであったとする。

このとき、ポイント８，９間の中間オフセット値を＋１００Ｗと設定すると、図８の（ｂ）に示すように、ポイント８，９間の直線を、実出力値２２８０Ｗと実出力値３０３５Ｗとを結ぶ直線と、実出力値３０３５Ｗと実出力値３２１０Ｗとを結ぶ直線とに分割することができる。図６の折れ線グラフは、ポイント８，９間では図８の（ｂ）に示すように変更される。

隣接するポイント８，９間に中間オフセット値が＋１００Ｗと設定されていれば、ポイント８，９の実出力値を結ぶ直線によって決まる中間の実出力値を＋１００Ｗだけオフセットした実出力値が白丸で示すオフセット中間値となる。

この場合、アナログ電圧出力部１１２は、隣接するポイント８，９の一方の実出力値２６６０Ｗとオフセット中間値とを結ぶ第１の直線と、オフセット中間値と隣接するポイント８，９の他方の実出力値３２１０Ｗとを結ぶ第２の直線とのそれぞれで決まる演算式を用いて、補正アナログ電圧を計算する。

よって、オペレータがＰＣ１０によってレーザ発振器１１に対して指令出力値２９３５Ｗを指定したとすると、アナログ電圧出力部１１２は、図８の（ａ）の場合のアナログ電圧Ｑ０よりも低いアナログ電圧Ｑ１を補正アナログ電圧として出力する。これによって、実出力値を指令出力値の２９３５Ｗにさらに近付けることができる。

中間ポイントのオフセット機能を用いることよって、図９に示すように、特性データに対して、中間オフセット値が追加される。図９では、ポイント７，８間及びポイント８，９間に中間オフセット値を設定した例を示している。残りの７か所の隣接するポイント間にも必要に応じて中間オフセット値を設定することが可能である。

オペレータは、ＰＣ１０に、中間オフセット値が追加された特性データを設定する。同様に、中間オフセット値を含む特性データは発振器制御部１１１に転送され、発振器制御部１１１は中間オフセット値を含む特性データを保持する。

アナログ電圧出力部１１２が、中間オフセット値を含む特性データに基づいて指令出力値に対応する補正アナログ電圧Ｖａを出力することにより、実出力値を指令出力値にさらに近付けることができる。

本実施形態のように、特性データに中間オフセット値を追加する構成では、必要な場合に、必要なポイント間に中間オフセット値を設定すればよい。よって、予め特性データとして設定する複数ポイントを必要以上に多く設定する必要がなく、最小限とすることができる。

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

１１ 半導体レーザ発振器
１５ レーザ加工ユニット
１００ レーザ加工機
１１１ 発振器制御部
１１２ アナログ電圧出力部
１１３，1131〜113n レーザダイオードモジュール

Claims (2)

1. レーザを射出するレーザダイオードモジュールと、
   前記レーザダイオードモジュールがレーザを射出するよう、前記レーザダイオードモジュールにアナログ電圧を印加するアナログ電圧出力部と、
   前記レーザダイオードモジュールによって射出させるレーザのパワーを指令するための複数ポイントの指令出力値と、前記レーザダイオードモジュールによって前記複数ポイントの指令出力値それぞれでレーザを射出させたときに、前記レーザダイオードモジュールによって実際に射出されるレーザのパワーを示す実出力値と、前記複数ポイントの指令出力値それぞれに対応して、前記アナログ電圧出力部が出力すべきアナログ電圧との対応を示し、さらに、前記複数ポイントにおける少なくとも１つの隣接するポイント間の実出力値をオフセットさせるための中間オフセット値が設定された特性データを保持する保持部と、
   を備え、
   前記複数ポイントまたは前記複数ポイント以外の所定の指令出力値が入力されたとき、前記アナログ電圧出力部は、前記特性データに基づいて、前記所定の指令出力値が実出力値となる補正アナログ電圧を計算して、前記補正アナログ電圧を前記レーザダイオードモジュールに印加し、
   前記アナログ電圧出力部は、
   隣接するポイント間に中間オフセット値が設定されていない場合には、隣接するポイントそれぞれの実出力値を結ぶ直線によって決まる演算式を用いて、前記補正アナログ電圧を計算し、
   隣接するポイント間に中間オフセット値が設定されている場合には、隣接するポイントの一方の実出力値と、隣接するポイントそれぞれの実出力値を結ぶ直線によって決まる中間の実出力値を前記中間オフセット値だけオフセットしたオフセット中間値とを結ぶ第１の直線と、前記オフセット中間値と、隣接するポイントの他方の実出力値とを結ぶ第２の直線とのそれぞれで決まる演算式を用いて、前記補正アナログ電圧を計算する
   半導体レーザ発振器。
2. 請求項１に記載された半導体レーザ発振器より射出されたレーザを用いて被加工材を加工するレーザ加工ユニットを備えるレーザ加工機。

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