JPH05110173A - レーザ励起光源管理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】レーザ励起光源の更新時期が簡単にわかり該光
源の効率的管理ができるレーザ励起光源管理装置を提供
する。 【構成】 ＹＡＧレーザ加工装置は、発振部１０、電源
部２０、光学系３０、電子制御部４０とを中心に構成さ
れ、電子制御部にはランプ１０ｂの交換時期を示す電流
閾値ＩMXの第２マップＭＰ２が格納されている。電子制
御部では、電源部に指令して、実レーザ出力Ｐｊが目標
出力Ｐｏに等しくなるようにランプ電流Ｉを制御し、第
２マップから求めた電流閾値ＩMXと光センサ３０ｃによ
り検出された実レーザ出力が目標出力に等しくなったと
きのランプ指令電流Ｉｎが閾値電流ＩMX以上であると
き、ランプが劣化したとして警告灯５０を点灯させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電圧印加による放電で
発光してレーザ媒質を励起するレーザ励起光源の発光状
態を管理するレーザ励起光源管理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザ発振器から出射されたレー
ザビームを熱源として用いて対象物を加工するレーザ加
工装置が知られている。この種の装置では、直流電源か
らの電圧印加による放電で発光する放電管（以下、ラン
プという）を用いて、レーザ媒質を励起しレーザ光を発
生させるレーザ発振器が、採用されている。たとえば、
クリプトン・アークランプでＹＡＧロッドを励起するＹ
ＡＧレーザや、クセノン・フラッシュランプでルビーロ
ッドを励起するルビーレーザなどの固体レーザ発振器
が、知られている。

【０００３】ところで、ランプには耐用期間があり、そ
の期間を越えて長時間使用すると発光状態が劣化する。
たとえば、カソード電極回りのランプ管面が黒くなった
り、ランプ内に封入されたガス圧が下がったりするため
に、所定の電流をランプに給電してもランプの発光レベ
ルが規格レベルより下がり、レーザ発振器の出力が低下
するといったことが起こる。そのため、レーザ加工装置
の運転時間をランプの点灯時間として記録・管理して記
録データを基にランプ交換時期を決めたり、定期的に交
換したり、あるいは実際のレーザ加工の状態やランプの
点灯状態を見てランプ交換の必要の有無を判断してい
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
ランプ管理では、複数本ランプを用いているときには再
使用可能なランプも一緒に交換してしまうといったこと
があり、きわめて効率が悪かった。また、レーザ加工装
置が多数配置されているときはランプ・データの記録・
管理に大変手間がかかっていた。 あるいは、加工現場
での勘や経験に頼るためにランプ交換を適切に行うこと
ができないといったことも指摘されていた。このような
ことから、ランプの効率的管理が簡単にできる装置が久
しく求められていた。そこで本発明の目的は、レーザ励
起光源の更新時期が簡単にわかり該光源の効率的管理が
できるレーザ励起光源管理装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは、図１に例示するように、電源からの電圧印加によ
る放電で発光してレーザ媒質を励起するレーザ励起光源
の発光状態を管理するレーザ励起光源管理装置であっ
て、上記レーザ励起光源の発光により励起されたレーザ
媒質の出力を検出するレーザ出力検出手段と、予め設定
された上記レーザ媒質の目標出力と上記レーザ出力検出
手段により検出された上記レーザ媒質の出力との偏差に
基づいて上記レーザ励起光源の放電電流を制御する電流
制御手段と、上記レーザ励起光源の放電電流を検出する
電流検出手段と、該検出された放電電流が上記レーザ媒
質の目標出力に対応して設定された所定の基準電流を越
えているか否かを判定する電流判定手段と、該判定手段
の判定結果に基づいて上記レーザ励起光源の発光状態が
劣化した否かを判定する発光状態判定手段と、該発光状
態判定手段により劣化判定がなされると上記レーザ励起
光源の更新時期が到来したことを報知する報知手段と、
を備えたことを特徴とするレーザ励起光源管理装置にあ
る。

【０００６】

【作用】以上のように構成された本発明の装置によれ
ば、電流制御手段が、予め設定されたレーザ媒質の目標
出力とレーザ出力検出手段により検出された実出力との
偏差に基づいてレーザ励起光源の放電電流を制御するの
で、レーザ出力は目標出力に達する。このとき、電流検
出手段が放電電流を検出し、電流判定手段が、検出され
た放電電流が目標出力に対応して設定された所定の基準
電流を越えているか否かを判定する。すると、発光状態
判定手段が、判定手段の判定結果に基づいてレーザ励起
光源の発光状態が劣化した否かを判定する。この発光状
態判定手段により劣化判定がなされると、報知手段がレ
ーザ励起光源の更新時期が到来したことを報知する。

【０００７】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面と共に説明す
る。まず、図２は本発明を適用したＹＡＧレーザ加工装
置の構成を表すブロック図である。

【０００８】図示するように、ＹＡＧレーザ加工装置
は、レーザビームＬＢの発振部１０と、発振部１０に直
流を供給する電源部２０と、レーザビームＬＢの出力レ
ベルを検出するための光学系３０と、レーザビームＬＢ
の出力レベルが一定になるように電源部２０を制御する
電子制御部４０とを主要部として構成されている。

【０００９】なおＹＡＧレーザ加工装置には、レーザビ
ームＬＢを加工対象上に絞り込むための集光光学系（不
図示）や、発振部１０を冷却するための冷却装置（不図
示）、あるいは加工対象を移動させる機械系（不図示）
などが備えられているが、本発明の要部ではないので説
明は省略する。

【００１０】発振部１０は、レーザ媒質として周知のＹ
ＡＧロッド１０ａと、ＹＡＧロッド１０ａを励起するた
めの光源であるクリプトン・アークランプ（以下、単に
ランプと呼ぶ）１０ｂと、ランプ１０ｂから出射された
光を反射してＹＡＧロッド１０ａに集める集光器１０ｃ
と、全反射鏡Ｍ１及び部分反射鏡Ｍ２からなりＹＡＧロ
ッド１０ａから出射されたレーザ光を増幅する共振器１
０ｄを中心に構成されている。

【００１１】電源部２０は、直流安定化電源２０ａと、
ランプ１０ｂの放電電流を制御する電流制御回路２０ｂ
と、アーク放電を開始させるためのトリガ電圧発生回路
２０ｃとからなる。また、電源部２０の正極側がランプ
１０ｂのアノード電極Ａｎに、その負極側が該カソード
電極Ｃａに、それぞれ接続され、ランプ１０ｂに電流を
供給して発光させる。

【００１２】直流安定化電源２０ａは、負荷電流やラン
プ１０ｂのインピーダンスなどの外乱に対して出力電圧
の変動を充分小さく抑えることができる周知の電源であ
る。

【００１３】電流制御回路２０ｂは、電子制御部４０か
らの指令信号ＳIV（後述する）に応じて電界効果トラジ
スタＦＥＴのゲート電圧を増減することで、ランプ１０
ｂの放電電流Ｉ（以下、ランプ電流Ｉという）のレベル
を増減制御すると共に、電界効果トラジスタＦＥＴのソ
ース電圧を電流バッファＢＦ側に負帰還させることによ
ってランプ電流Ｉを指令電圧ＳIVに応じた一定のレベル
に保持する。また、ランプ電流Ｉを検出するための検出
抵抗Ｒが設けられランプ電流Ｉに応じた電流検出信号
（電圧信号）ＳLIを電子制御部４０へ出力する。

【００１４】なお、ランプ電流Ｉが大きいときには検出
抵抗Ｒの発熱により、検出精度の温度ドリフトが生じる
が、高い検出精度が要求されるときには、検出抵抗Ｒに
代えてホールセンサなどの磁電変換素子や磁気回路を用
いればよい。

【００１５】トリガ電圧発生回路２０ｃは、電子制御部
４０からの放電開始指令ＳTGがあると、高電圧パルスを
発生させランプ１０ｂのカソード電極Ｃａに印加する。
その高電圧の印加によって、カソード電極Ｃａの回りに
電子及びイオンが発生し、これらがトリガとなってアー
ク放電が開始される。

【００１６】光学系３０は、レーザビームＬＢの大部分
を透過するが僅かな一部を反射するベントミラー３０ａ
と、ベントミラー３０ａからの光束を一点に集める集光
レンズ３０ｂと、集光レンズ３０ｂからの光束を受光す
る光センサ３０ｃとからなり、レーザビームＬＢの出力
レベルに応じた光量が検出されるように構成されてい
る。

【００１７】光センサ３０ｃは、受光素子と増幅器（共
に不図示）とからなり、レーザビームＬＢの出力レベル
Ｐに応じた電圧信号、即ちレーザ出力検出信号ＳLAを出
力する。

【００１８】電子制御部４０は、相互にバス４０ａで接
続された周知のＣＰＵ４０ｂ、ＲＯＭ４０ｃ、ＲＡＭ４
０ｄ、タイマ４０ｅ及び入出力ポート４０ｆを中心に論
理演算回路として構成されている。

【００１９】ＲＯＭ４０ｃには、初期値や各種処理に必
要な定数、ランプ電流Ｉ［Ａ］−レーザ出力Ｐ［Ｗ］の
特性の第１マップＭＰ１、ランプ交換時期を示す電流閾
値ＩMXの第２マップＭＰ２、ランプ電流の補正値の第３
マップＭＰ３などが格納されている。またＲＡＭ４０ｄ
には、周知の初期化処理の実行によりデータ処理のため
のワーク・エリアＷＡなどがセットされる。

【００２０】図３の（Ａ）欄に示すように、第２マップ
ＭＰ２は、ランプ１０ｂの劣化状態をランプ電流Ｉのレ
ベルから判定するためのもので、ある出力レベルのレー
ザビームＬＢを得るために必要なランプ電流Ｉが、電流
閾値ＩMXを越えたときには、当該ランプは更新すべき状
態にあると判断される。ランプ電流−レーザ出力の関係
は直線的でなく、実験や実用時の経験などで得られたデ
ータに基づいて非線形の特性曲線として表されている。

【００２１】なお第１マップＭＰ１は、レーザビームＬ
Ｂの所定レベル出力Ｐのために必要なランプ電流Ｉを求
めるためのデータテーブルであって、ランプ１０ｂの規
格で定まるランプ電流−放電光出力（電気入力から光放
射への変換）の特性に基づいて設定されている。また、
第３マップＭＰ３は、ランプ指令電流Ｉｏと実電流Ｉｊ
との偏差ΔＩが生じたとき、第１マップのランプ電流Ｉ
を補正する補正値を求めるためのデータテーブルであっ
て、電源部２０の回路特性やランプ１０ｂのインピーダ
ンスに基づいて設定されている。

【００２２】入出力ポート４０ｆには、電流制御回路２
０ｂへ指令信号（電圧指令）ＳIVを出力するＤ／Ａコン
バータ４０ｇ、入力される複数の信号から一つの信号を
選択するマルチプレクサ４０ｈ、及びマルチプレクサ４
０ｈからのアナログ信号をディジタル・データに変換す
るＡ／Ｄコンバータ４０ｉが接続されている。さらに、
ランプ交換時期の到来を知らせる警告灯５０を点灯する
ためのドライバ５２や、電子制御部４０にレーザビーム
ＬＢの出力レベルＰなどの各種データを入力するための
入力部５４などが接続されている。

【００２３】マルチプレクサ４０ｈには、光センサ３０
ｄ及び検出抵抗Ｒが接続され、入出力ポート４０ｆから
の選択信号に基づいてレーザ出力検出信号ＳLA又は電流
検出信号ＳLIをＡ／Ｄコンバータ４０ｉへ出力する。

【００２４】なお、Ｄ／Ａコンバータ４０ｇ及びマルチ
プレクサ４０ｈと電流制御回路２０ｂとの間は、周知の
フォトカプラ（不図示）により電気的に絶縁され、発振
部１０や電源部２０から電磁ノイズが侵入するのを防い
でいる。

【００２５】次に、電子制御部４０で実行されるランプ
管理処理について、図４のフローチャートに沿って順次
説明する。

【００２６】本処理は、電子制御部４０からの放電開始
指令ＳTGによりアーク放電が起こった後に開始され、所
定周期で繰り返し実行される。

【００２７】本処理が開始されると、最初のステップ１
００で、入力部５４から設定されたレーザ出力データＰ
を読み込んで、目標出力Ｐｏとして設定する。次のステ
ップ１１０では、目標出力Ｐｏに必要なランプ電流Ｉの
指令値Ｉｏを、第１マップＭＰ１から求め、Ｄ／Ａコン
バータ４０ｇに指令して、ランプ指令電流Ｉｏに応じた
指令信号ＳIVを電流制御回路２０ｂへ出力する。

【００２８】続くステップ１２０では、光フィードバッ
ク処理を実行する。即ち、まずマルチプレクサ４０ｈと
Ａ／Ｄコンバータ４０ｉとに命じて、レーザ出力検出信
号ＳLA及び電流検出信号ＳLIを、それぞれ読み込んで実
レーザ出力Ｐｊ及び実電流Ｉｊとして設定し（第１プロ
セス）、次に目標出力Ｐｏと実レーザ出力Ｐｊとの偏差
ΔＰ（＝Ｐｏ−Ｐｊ）を求めると共に、ランプ指令電流
Ｉｏと実電流Ｉｊとの偏差ΔＩ（＝Ｉｏ−Ｉｊ）を求め
る（第２プロセス）。続いて、Ｄ／Ａコンバータ４０ｇ
に指令して、レーザ出力偏差ΔＰ及び第１マップＭＰ１
と、電流偏差ΔＩ及び第３マップＭＰ３とから補正値を
求めてランプ指令電流Ｉｏを補正して、ランプ電流Ｉを
増加又は減少させるための指令信号ＳIVを電流制御回路
２０ｂへ出力する（Ｉｏ←Ｉｏ±ｉ，ｉは補正した後の
ランプ指令電流Ｉｏの増減分。第３プロセス）。そし
て、実レーザ出力Ｐｊが目標出力Ｐｏに等しくなるまで
（Ｐｏ＝Ｐｊ，Ｉｏ＝Ｉｎ、ＩｎはＰｏ＝Ｐｊのときの
ランプ指令電流）、上記第１〜第３のプロセスを繰り返
し、等しくなるとステップ１３０へ進む。

【００２９】ステップ１３０では、第２マップＭＰ２か
ら目標出力Ｐｏのときのランプ交換時期の到来を判定す
るための電流閾値ＩMXを求める。続くステップ１４０で
は、求めた電流閾値ＩMXと、実レーザ出力Ｐｊが目標出
力Ｐｏに等しくなったときのランプ指令電流Ｉｎとを、
大小比較する。ステップ１４０にて、ランプ指令電流Ｉ
ｎが電流閾値ＩMX以下であると肯定判断されたときに
は、ランプ１０ｂは未だ劣化していないものとして、そ
のまま処理を終了する。

【００３０】一方、ステップ１４０にて、ランプ指令電
流Ｉｎが電流閾値ＩMXを越えていると否定判断されたと
きには、ランプ１０ｂが劣化したものとして、ステップ
１５０に進み、ドライバ５２に指令して警告灯５０を点
灯させ、処理を終了する。

【００３１】上記の処理の結果、ランプ電流Ｉを電流閾
値ＩMXより増加しても所定のレーザビームＬＢの出力を
得られないときには、警告灯５０が点灯してランプ１０
ｂの劣化・ランプ交換時期の到来を知らせる。

【００３２】以上説明したように本実施例では、所定レ
ベルのレーザビームＬＢを出力するために、ランプ電流
Ｉが該レベルに対応して設定された電流閾値ＩMXを越え
なければならないときには、ランプ１０ｂの交換時期が
到来したことを適切に報知するので、ランプ１０ｂの交
換時期が簡単且つ正確にわかる。

【００３３】したがって、ランプ１０ｂの点灯時間の記
録・管理の手間を省くことができる。あるいは、勘や経
験に頼ってランプ交換の時期を誤り加工不良を生じると
いうことを防ぐことができる。

【００３４】また、ランプ１０ｂの交換を自動的に行う
装置を付設した場合、ランプ１０ｂの点灯指令をランプ
交換の指令としても使うことができ、拡張性がある。

【００３５】なお本実施例では、部分反射鏡Ｍ２の側で
レーザビームＬＢの出力レベルを検出するように構成し
たが、この他、全反射鏡Ｍ１の側で該出力レベルを検出
するように構成してもよい。

【００３６】さらに、本実施例ではＲＯＭ４０ｃに各マ
ップＭＰ１〜ＭＰ３を格納したが、電源遮断時にもデー
タが保持できる周知のバックアップＲＡＭに各マップＭ
Ｐ１〜ＭＰ３を格納し、入力部５４からの設定データに
よって各マップＭＰ１〜ＭＰ３を変更できるように構成
してもよい。

【００３７】ここで、本実施例では単一のランプ１０ｂ
を用いた発振部１０であったが、本発明はランプが複数
配設されている発振器にも適用できる。

【００３８】たとえば図５の（Ａ）欄に示すように、Ｙ
ＡＧロッドＬＤがカスケード接続され、かつ各々のＹＡ
ＧロッドＬＤにランプＬ及び電源部ＰＳが設けられてい
るとき（Ａタイプという）、図５の（Ｂ）欄に示すよう
に、電源部ＰＳが一つで複数のランプＬが並列接続され
ているとき（Ｂタイプという）、あるいは図５の（Ｃ）
欄に示すように、１本のＹＡＧロッドＬＤに複数のラン
プＬが配設されているとき（Ｃタイプという）の何れの
場合でも、ランプ交換時期を示す電流閾値ＩMXの第２マ
ップＭＰ２｛図３の（Ａ）欄に示した｝を書き換えるこ
とで対応することができる。ただし、Ａタイプの場合に
は、夫々のランプＬに流れる電流Ｉを等しくする必要が
ある。

【００３９】また、ランプが複数本配設されている発振
器について、全体としてのランプ交換判定を行ったのち
に、Ａタイプでは各電源ＰＳにより、Ｂタイプ及びＣタ
イプではリレー回路ＲＬにより個々にランプＬを点灯さ
せ全体出力の本数分の１の出力として個々のランプＬに
ついて電流検出を行い、別の電流閾値ＩMXのマップを使
って個々のランプＬについて劣化ランプか否かを判定す
ることもできる。

【００４０】上記のＡ・Ｂ・Ｃのタイプの場合には、複
数本ランプを用いたレーザ加工装置のときや、その加工
装置が多数配設されているときに、ランプ管理の効率向
上に特に大きな功を奏する。

【００４１】さらに又本実施例では、ランプ指令電流Ｉ
ｎが電流閾値ＩMX以上であるときに、ランプ１０ｂの劣
化と判定したが、ランプが複数本配設されている発振器
において、図３の（Ｂ）欄に示すように、電流閾値ＩMX
に加えて、ランプ１０ｂが再使用可能な電流境界値ＩSH
を設けると共に電流閾値ＩMXと電流境界値ＩSHとの間に
劣化判定のための判定帯域ＧＺを設け、劣化ランプと判
定されなかったランプについて、判定帯域ＧＺにランプ
指令電流Ｉｏ（Ｉｎ）が達していないものは再使用可能
なランプとする、あるいは判定帯域ＧＺに達しているも
のは劣化ランプではないが同時に交換すべきランプとす
るようにしてもよい。

【００４２】この場合には、再使用できるランプと交換
すべきランプとの選別判断が、ランプの発光状態により
一層即して行える。さらに、発光状態が再使用可能な状
態から交換すべき状態への過渡状態にあるランプについ
ても、使用の限界まで使うことができるので、より効率
的である。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、レ
ーザ励起光源の放電電流がレーザ目標出力に対応する基
準電流を越えたか否かの判定に基づいて、上記光源の発
光状態が劣化した否かを判定し、劣化判定がなされたと
きに上記光源の更新時期の到来を報知するので、更新時
期が到来したことを適切に報知するので、上記光源の更
新時期が簡単にわかり上記光源を効率的に管理すること
ができる。したがって、レーザ励起光源の点灯時間の記
録・管理の手間を省くことができ、あるいは勘や経験に
頼って上記光源の交換時期を誤ることを防ぐことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的構成を例示する構成図である。

【図２】実施例のレーザ加工装置の構成を表すブロック
図である。

【図３】電流閾値−レーザ出力の特性を表す説明図であ
る。

【図４】電子制御部で実行されるランプ管理処理のフロ
ーチャートである。

【図５】ランプを複数用いたときの発振部及び電源部の
説明図である。

【符号の説明】

１０…発振部 １０ａ…ＹＡＧロッド １０ｂ…ランプ ２０…電源部 ２０ａ…直流安定化電源 ２０ｂ…電流制
御回路 ３０…光学系 ３０ｃ…光センサ ４０…電子制御部 ５０…警告灯 ＬＢ…レーザビーム ＭＰ２…第２マップ Ｒ…検出抵
抗

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源からの電圧印加による放電で発光し
   てレーザ媒質を励起するレーザ励起光源の発光状態を管
   理するレーザ励起光源管理装置であって、 上記レーザ励起光源の発光により励起されたレーザ媒質
   の出力を検出するレーザ出力検出手段と、 予め設定された上記レーザ媒質の目標出力と上記レーザ
   出力検出手段により検出された上記レーザ媒質の出力と
   の偏差に基づいて上記レーザ励起光源の放電電流を制御
   する電流制御手段と、 上記レーザ励起光源の放電電流を検出する電流検出手段
   と、 該検出された放電電流が上記レーザ媒質の目標出力に対
   応して設定された所定の基準電流を越えているか否かを
   判定する電流判定手段と、 該判定手段の判定結果に基づいて上記レーザ励起光源の
   発光状態が劣化した否かを判定する発光状態判定手段
   と、 該発光状態判定手段により劣化判定がなされると上記レ
   ーザ励起光源の更新時期が到来したことを報知する報知
   手段と、 を備えたことを特徴とするレーザ励起光源管理装置。