JPS6276688A - レ−ザ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、間欠的な光出力フィードバック信号を用いて
、所定の期間毎に光出力を補正するレーザ制御装置に関
する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 一般に連続的なフィードバック制御を行なうためには、
制御回路の制御動作に比較して充分速い応答速度を持つ
検出器が必要であるが、制御システムによっては検出器
の応答速度が遅く連続的なフィードバック制御を行なえ
ないものがある。

上述の例として、加工用のレーザ制（財）装置がある。

例えば、炭酸ガスレーザの出力制ｉ！ＩＩ装置において
は、レーザ光としての出力が制御ｆｉとなるが、前記レ
ーザ光は赤外光であるため、応答速度の速い検出器がな
く感熱形の検出器があるのみでその応答速度はたかだか
数秒程度である。前記感熱形検出器の応答速度ではレー
ザ光出力制御のためフィードバック信号検出用としては
適用不可能である。

したがって、従来のレーザ制御１１装置においてはレー
ザ発振器への人力電力を制御するにとどまり、本来の制
御量であるレーザ光出力に関しては閉ループとなってい
たため、オペレータが前記感熱形検出器を介して表示さ
れたレーザ光出力の読みを判断して目標値を可変してい
た。

ここで、従来の実施例を掲げて具体的な説明を補足する
。

第７図は、加工用のガスレーザ制御装置の一構成例であ
る。同図において、２１は基準信号変換器、１は電力制
御マイナルーブの演算増幅回路、２は電力制御のパワ一
部である制御直流ＮＦｉ！、３は電力を光の出力に変換
するレーザ発振器、４は電力制御マイナルーブの制御応
答に対して充分な応答速度を有する電力検出器、ｐ　ｈ
ａ−Ｒはレーザの光出力基準信号、Ｐ−Ｒは前記レーザ
発振器３へ入力する電力の指令値である電力基準信号、
ＰＦは前記レーザ発振器３への入力電力Ｐを前記電力検
出器４を介して検出した電力復帰信号、ＰＥは前記電力
基準信号Ｐ−Ｒと電力復帰信号ＰＦとの比較結果である
電力偏差信号、Ｐ−ｏｐは前記制御直流電源２に対する
電源操作信号、Ｐｈｏはレーザの光出力、５は感熱形の
光出力検出器、ｐｈｉ−、は光出力検出信号、２２は光
出力表示器である。

簡単に構成を説明すると、光出力基準信号Ｐｈｏ−Ｒは
基準信号変換器２１にて係数変換されて電力基準信号Ｐ
−Ｒとなり、応答速度の充分に速い電力検出器４を介し
て検出された電力帰還信号ＰＦと比較され、その結果で
ある電力偏差信号ＰＥが演算増幅回路１にて増幅されて
電源操作信号Ｐｏρとなり、制御直流電源２の出力電力
、つまり制御対象であるレーザ発振器３の入力電力Ｐを
閉ループ制御している。前記レーザ発振器３は自らの発
振効率に応じたレーザの光出力Ｐｈｏを出力し、さらに
前記光出力検出器５によって光出力検出信号ｐｈｏ−０
となりレーザ光出力モニタ用の光出力表示器２２によっ
て表示されている。

つぎに、上記構成における各信号の動作を第８図に示す
タイムチャートにて説明する。

同図において、各信号の符号及び名称は前記第７図の構
成図にて用いたものと同じであるが、さらに誤差ε１．
ε２．ε４、時シ１ｌｔｔ、ｔ３゜ｔ４．ｔ６．ｔ７．
ｔ９．を日、ｔ１２．時間［が追記されている。

尚、同図をはじめとする侵出のタイムチャート図の信号
レベルはすべて正規化して表現しである。

説明の簡単化のために同図（ａ　）に示すように光出力
基準信号ｐｈｏ−Ｒはパルス状に与えられているとする
と、電力基準信号Ｐ−Ｒも（Ｃ）に示すように同様に変
化する。

ここで、連続的にフィードバック制量している電力Ｐの
ループ応答が今、論じている光出力の応答時間に比べて
充分速いために電力検出信号Ｐｐは（Ｃ）に示すように
前記電力基準信号Ｐ−Ｒに等しく制御される。

しかしながら、本来の制ａｍであるレーザの光出力Ｐｈ
ｏは（ｂ　）に示すようにそれぞれの時刻における前記
レーザ発振器３の発振効率に応じて変動し、目標値であ
る前記光出力基準信号ｐｔｌｏ−Ｒに対しては（ｄ　）
に示すようなそれぞれの出力期間における誤差ε１．ε
２．ε４を生ずることになる。

上記の実施例における問題点は、前述したように本来の
制御量であるレーザの光出力Ｐｈｏが前記レーザ発振器
３の発振効率に応じて変動してしまうことで、通常この
発振効率の変動は数パーセントから状況によっては１０
パ一セント程度に達する場合あり、この値は加工される
材料に大きな影響を及ぼす。

但し、上記の発振効率の変動は、主にレーザ発振器内の
ガス、放電電極、電流バランス用抵抗器などの温度変化
によるものと考えられてあり、その時間的変化は非常に
遅く数分から十分の単位でゆるやかに変動する。

［本発明の目的］ 本発明の目的は、間欠的な光出力フィードバック信号を
用いて、所定の期間毎に光出力を補正することによって
前記光出力基準信号に対する光出力の制御精度及び安定
度を大幅に向上出来るレーザ制ｉ１１装置を提供するこ
とにある。

［本発明の慨要］ 光出力制御に要求される応答速度に対して、光出力を検
出する検出器の応答速度が遅いために連続的にフィード
バック制御を行なうことが困難なレーザ制御システムに
おいて、前記検出器の応答速度に比較すれば充分に遅い
時間変化の変動要因に対し、前記検出器の応答遅れによ
る影響のない期間を判断して前記検出器により検出した
光出力検出信号と光出力基準信号、またはレーザ発１辰
器への入力電力信号との比較から演算した補正信号を、
以降の所定の期間前記光出力基準信号に対して与え、前
記光出力を補正する。

上記の方法を、前記の所定期間毎に新しい補正信号に更
新しながら繰り返すことによって、比較的長い時間に対
する光出力の変動を極小に保ち制御精度及び安定度の向
上をはかる。

［発明の実施例］ 本発明による第１の実施例の構成を第１図に示す。

同図において、１は電力制御マイナルーブの演算増幅回
路、２は電力制御のパワ一部である制御直流ｌｉ！！、
３は電力を光の出力に変換するレーザ発振器、４は電力
制御マイナルーブの制御応答に対して充分な応答速度を
有する電力検出器、５は応答の遅い光出力検出器（出し
、整定時間は既知である）、７は前記レーザ発振器３の
入出力比を演算する除算器、８は前記除算器７による除
算結果を所定期間記憶する記憶回路、９は上記構成要素
の制御動作のタイミングを制御するタイミング制御回路
、１０は前記タイミング制御回路９に対して目標値の状
態を検出・伝達する基準状態検出回路である。

目標値である光出力基準信号ｐｈｏ−Ｒは後述する基準
補正信号１３と前記乗算器６にて乗算され、前記レーザ
発振器３へ入力される電力の目標値である電力基準信号
Ｐ−Ｒとなる。

前記電力基準信号Ｐ−Ｒから電力Ｐまでの電力マイナル
ーブについては、第７図を用いて行なった従来技術の説
明と同一であるためここでは省略する。

前記の電力Ｐは前記レーザ発振器３の任意の時刻におけ
る自らの発振効率に応じてレーザの光出力Ｐｈｏに変換
される。前記光出力Ｐｈｏは前記光出力検出回路５を介
して光出力検出信号ｐｈｏ−Ｏとなって前記除算器７に
入力されて電力帰還信号Ｐ−Ｆとの比ｐ、、／ｐｂｏ−
ｏが演算されて除算出力信号１２となり′前記記憶回路
８に入力される。

ここで、前記基準状態検出回路１０は前記光出力基準信
号ｐｈｏ−Ｒの定常状態を判断、検出して基準状態検出
信号１７を前記タイミング制御回路９に与え、さらに、
前記タイミング制御回路９からは、前記光出力検出信号
ｐ　ｈｏ−、が整定する時間後にて除算開始させる除算
指令１５が、次回の定常状態に前記基準補正信号１３を
出力させる補正信号出力指令１４が、前記除算器７及び
乗算器６にそれぞれ出力される。

つぎに、第２図に示す動作タイムチャートを参照しなが
ら本実論例における動作を説明する。

同図に用いである符号及び名称は前述の第１図の符号及
び名称と対応しているが、光出力基準信号Ｐｈｏ−Ｒに
対する光出力Ｐｈｏの初回誤差εｌ、任意の定常状態に
おける制御ｌ誤差例として第３回目の出力期間における
制御誤差ε３、時間（、時刻ｔ１〜ｔ１２及び除算開始
を設定するタイムディレィＴＤ＋が追記されている。

同図においても、簡単のために光出力基準信号ｐｈｏ−
Ｒは矩形波の例で説明する。

まず、初回の出力帰還である時刻ｔ１〜ｔ３の期間にお
いて、目標値として与えられた前記光出力基準信号ｐｈ
ｏ−Ｒに対して乗算される前記補正信号１３−１は大き
さ１を出力し、光出力ｐｈｏはこのときの前記レーザ発
振器３の発信効率により小さな値であったとする。光出
力検出信号ｐｈｏ−，は（Ｃ＞に示すように応答遅れを
持って定常値に達し、初回の出力における制御誤差ε１
が現われる。除綽指令１５は、時刻ｔｉから前記光出力
検出器５の整定時間以上のタイムディレーＴＤｓの後に
出力され、前記レーザ発振器３の入力電力相当の信号で
ある電力帰還信号ＰＦと光出力相当の信号である光出力
検出器＠　ｐ　ｈｏ　−０との比Ｐ　　Ｆ　／　Ｐ　ｈ
ｏ−ｏを制御誤差率として演算し除算出力信号１２−１
として前記記憶回路８に一時記憶する。つぎに、第二回
目の出力期間ｔ４〜ｔ６においては、初回の制御誤差率
として記憶している除算出力信号１２−１を前記基準補
正信号１３−２として前記光出力基準信号ｐ　ｈｏ　−
Ｒに乗算することによって、直前の前記発振効率から演
算した前記制御誤差率により前記電力％準信号Ｐ−Ｒが
補正されている。

上述の動作を繰り返すもとによって制御［Ｉ誤差が所定
の期間毎に補正されて行く。

本実施例によれば以下に述べる効果が得られる。

（１）　　レーザ発振器の各部の温度変化等に起因する
比較的時間変化の遅い光出力の変動要因に対し、変動を
大幅に減少させ、制ｉ１′１ｌｌｒＲ度および安定度を
著しく向上させることができる。

（２）　　補正回路はすべてディジタル回路及びソフト
ウェアで簡単に構成可能であり、安価である。

つぎに、第２の実施例を第３図に示す構成図及び第４図
に示す動作タイムチャートを用いて説明する。第３図に
おいて、第１の実施例で説明した第１図と異なる点は、
最終値演算回路１１、光出力検出最終値信号ｐｈｏ−５
及び光出力検出信号ｐｈｏ−ｏのサンプリング指令１６
だけであり、他は同様であるため、説明を省略する。

第４図の動作タイムチャートにおいて、第１の実施例で
説明した第２図と異なるのは、応答波形が既知である光
出力検出器５を介して得られた光出力検出信号Ｐｈｏ＝
ｏの過渡値から、光出力検出最終値信号Ｐｈｏ−ｓを演
算して除算器７へ除算出力信号１２として出力している
点である。

初回の出力期間℃１〜［３において、（ａ　）における
時刻ｔ１からタイムディレィＴＤ２１に前記光出力検出
信号ｐｈｏ−０に対するサンプリング指令１６が出力さ
れ、サンプリングされた光出力検出信号ｐｈｏ−ｏ−１
から、前記最終値演算回路１１によって、推定される光
出力検出信号最終値ｐｈｏ−ｓ−１が演算され前記除算
器７に入力されて以降は第１の実施例と全く同様の動作
を行なう。

第２の実施例における効果としては、第１の実施例と同
様効果の他につぎのちのが挙げられる。

（１）　　光出力検出器の整定時間よりも出力期間が短
かくても、基ｔ■補正信号を演いすることが可能である
。

つぎｔこ、第３の実施例を第５図に示す構成図及び第６
図に示す動作タイムチャートを用いて説明する。

第５図において、第１の実施例で説明した第１図と異な
るのは第１図における乗算器６及び除粋器７がなく、積
分回路１８がある点である。

本実施例においては、光出力検出信号ｐｈｏ−０は光出
力検出器＠Ｐｈ０−Ｒと比較されて光出力偏差ｐｈｏ−
６となり、前記積分回路１８に入力される。前記積分回
路１８はタイミング制御回路９から出力される積分指令
２０に従って積分演算し、基準補正信号１３になるべく
積分出力信号１つが記憶回路８に出力され、さらに補正
信号出力指令１４に従って基準補正信号１３が前記光出
力基準信号ｐｈ　Ｏ−Ｒに加算される。

第６図の動作タイムチャートにおいて、第１の実施例で
説明した第２図と異なるのは、第２図における除算出力
信号１２、除算指令１５がなく光出力偏差信号ｐｈｏ−
、、積分出力信号１９、積分指令２０が追記されている
点である。尚、第６図においては基準補正信号１３は大
きさが前記積分出力信号１９と等しいため省略しである
。

第６図において、時刻ｔ１から前記光出力検出信号Ｐｈ
ｏ−，の応答時間以上のタイムディレィＴＤ３経過後に
所定の積分実？７期間Ｔ１の間前記光出力隔差信号ｐ　
ｈｏ　−Ｅを積分演算して（ｑられた積分出力信号１９
−１を基準補正信号１３として時刻【４〜（６の期間前
記光出力基準信号Ｐｈｏ−ｐに加算し、光出力Ｐｈｏの
補正を行なう。上）ボの動作を繰り返すことによって制
御誤差が補正されて行く。

第３の実施例における効果としては、第１の実施例と同
様効果の他につぎのちのが挙げられる。

（１）　　光出力の＠差を積分制御していることから光
出力が光出力基準信号に一致するように閉ループ制御に
て整定する。

［発明の効果１ 以上説明したように、本発明によれば、要求される光出
力制御の応答速度に対して光出力検出器の応答速度が遅
く、連続的にフィードバック１ｉＩＩ御を行なうことが
困難なレーザ制御システムにおいても、所定の期間毎に
光出力補正することによって光出力基準信号に対する制
御精度及び安定度を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による第１の実施例を示す構成図、第２
図は本発明による第１の実施例の作用を説明する動作タ
イムチャート、第３図は本発明による第２の実施例を示
ず構成図、第４図は本発明による第２の実施例の作用を
説明する動作タイムチャー１−１第５図は本発明による
第３の実施例を示す構成図、第６図は本発明による第３
の実施例の作用を説明する動作タイムチャート、第７図
は、　　従来の実施例を示す構成図、第８図は従来の実
施例の作用を説明する動作タイムチャートである。 １・・・演算増幅回路、２・・・制御直流電源、・・・
レーザ発揚器、４・・・電力検出器、５・・・光出力検
出器、６・・・乗算器、７・・・除算器、８・・・記憶
回路、９・・・タイミング制御回路、１ｏ・・・基準状
態検出回路、１１・・・最終値演算回路、１２・・・除
輝出カ信号、１３・・・基準補正信号、１４・・・補正
信号出力指令、１５・・・除算指令、１６・・・サンプ
リング指令、１７・・・基準状態検出信号、１８・・・
積分回路、１つ・・・積分出力信号、２ｏ・・・積分指
令、Ｐｈｏ−Ｒ・・・光出力基準信号、Ｐ　ｈｏ−ｏ・
・・光出力検出信号、ｐｌ＋ｏ−５・・・光出力検出最
終値信号、Ｐｈｏ・・・光出力、ＰＲ・・・電力基準信
号、ＰＦ・・・電力帰還信号、ＰＥ・・・電力偏差信号
、Ｐ　　ｏｐ・・・電力操作信号、Ｐ・・・電力、ｔ・
・・時間、ｔ］〜ｔ１２・・・時刻、Ｔｏｔ〜Ｔｏ３・
・・タイムディレィ、ε１．ε２．ε３・・・制御誤差
、Ｔｉ・・・積分実行期間。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第　２　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザの光出力を閉ループ制御するレーザ制御装
   置において、レーザの光出力基準信号が略一定な第１の
   期間を検出し、前記第１の期間においてレーザ光出力を
   検出する検出器の応答時間以上経過した時点で前記検出
   器を介して検出した光出力検出信号と前記光出力基準信
   号とを比較・演算して前記光出力に対応する補正信号を
   出力する第１の演算手段を設けるとともに、次回の比較
   ・演算まで前記第１の演算手段の出力を維持するホール
   ド手段を具備することを特徴とするレーザ制御装置。
2. （２）第１の演算手段は、検出器を介して検出した光検
   出信号とレーザ発振器への入力電圧信号とから光出力に
   対応する補正信号を出力することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のレーザ制御装置。
3. （３）第１の演算手段は、光出力基準信号が出力された
   時点から所望期間経過した時点おける光出力検出信号値
   から光出力信号の最終値を演算する第２の演算手段の出
   力と光出力検出信号とから光出力基準信号に対応する補
   正信号を出力するようにしたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載のレーザ制御装置。