KR20030078864A - 레이저 발진기 - Google Patents

Abstract

입력되는 레이저출력지령치 또는 전류지령치에 따라, 레이저매질의 여기를 제어하여 소정의 레이저출력을 얻는 레이저 발진기에 있어서, 레이저출력지령치 또는 전류지령치에서 기준이 되는 레이저출력파형 및 전류파형을 생성하는 기준파형 생성수단과, 레이저매질의 여기에 사용되는 전류치를 전류모니터값으로 얻으며, 그 전류치를 기준파형 생성수단에 의해 생성된 전류파형과 비교하는 제1비교수단과, 레이저매질을 여기시켜 출력되는 레이저출력치로 레이저출력 모니터값으로 얻으며, 그 레이저출력치를 기준파형 생성수단에 의해 생성된 레이저출력파형과 비교하는 제2비교수단을 구비하여 이상(abnormality)을 검출한다.

Description

레이저 발진기{LASER OSCILLATOR}

도 11은 레이저 발진기의 개략적인 구성을 표시한 구성도이다.

도면에서 1은 전원장치(10)에 의해 직류의 전류를 흘림으로써 발광하는 레이저 다이오드, 2는 레이저매질, 3은 전반사미러, 4는 부분반사미러, 5는 레이저광을 확대하는 확대렌즈, 6은 레이저광을 평행화하는 평행화렌즈, 7은 광섬유 입사렌즈, 8은 광섬유, 9는 가공헤드, 10은 전원장치이다.

레이저 다이오드(1)에 직류의 전류를 흘림으로써 발광시키고, 레이저매질(2)을 여기하며, 전반사미러(3)와 부분반사미러(4)사이에서 공진을 일으킴으로써 레이저광이 얻어진다.

이와 같이 하여 얻어진 레이저광을 확대렌즈(5), 평행화렌즈(6)를 사용하여 확대, 평행화하고, 광섬유 입사렌즈(7)에 의해 광섬유(8)의 단면에 집광한다. 그리고, 이 집광된 레이저광은 광섬유(8) 내부를 통과하고, 가공헤드(9)를 통하여 소정의 위치에 이 레이저광이 도광된다.

또한, 레이저출력의 조정은 레이저 다이오드(1)에 흐르는 전류를 변화시킴으로써 실행할 수 있고, 일반적으로는 레이저 다이오드(1)에 통전하는 전원장치 (10)에 소망하는 레이저출력, 전류지령을 외부로부터 주며, 이 전원장치(10)에 의해 레이저 다이오드(1)에 흐르는 전류를 제어한다.

도 12는 전원장치(10) 내부의 구체예를 표시한 구성도이다.

우선, 전원장치(10)의 기본동작에 대하여 설명한다.

전원장치(10)에서 입력전원은 정류유닛(16)에 의해 직류로 변환하고, 콘덴서 (17)에 충전된다.

여기서, 트랜지스터(13)가 온(ON)함으로써 리액터(14)를 통하여 레이저 다이오드 (1)에 전류가 흐르기 시작한다.

트랜지스터(13)가 온되어 있는 동안은 레이저 다이오드(1)에 흐르는 전류가 증가되기 때문에, 전류가 소망의 전류치 보다 크게 되면 트랜지스터(13)를 오프 (OFF)하여 전류를 감소시킨다.

역으로, 전류가 소망의 전류 보다 작게 되면, 트랜지스터(13)를 온하여 전류를 증가시킨다.

이 온ㆍ오프를 반복함으로써 전류를 소망의 전류치에 제어한다.

이 온ㆍ오프의 타이밍의 제어에는, 도 13에 표시되는 바와 같이 전류치에 상한치, 하한치를 마련하여 그 상하한치의 범위에서 온ㆍ오프를 제어하는 히스테리시스 컴퍼레이터 제어나 어느 일정기간중의 온 시간을 제어하는 PWM 제어 등이 있다.

다음으로, 제어에 대하여 도 12를 사용하여 상세하게 설명한다.

전류제어장치(18)는 소망의 전류치(전류지령치) 및 전류센서(12)를 통하여 적절한 게인조정(20)을 한 현재 흐르고 있는 전류치를 입력한다.

그리고, 이 두 종류의 입력된 데이터를 히스테리시스 컴퍼레이터 제어의 경우는 비교기에 입력하고, 미리 설정되어 있는 온하는 전류치, 오프하는 전류치와 비교하며, 트랜지스터(13)를 온하는지 오프하는지를 결정한다.

한편, 도면에는 표시되어 있지 않으나, PWM 제어의 경우는 이 두 종류의 입력된 데이터의 차이량을 마이컴 등으로 연산하고, 일정기간중의 온시간을 제어한다.

이와 같이 구해진 트랜지스터(13)의 온ㆍ오프지령은 트랜지스터(13)를 구동하는 회로(제어계의 로직신호에 따라 트랜지스터(13)를 실제로 온ㆍ오프하기 위하여 필요한 전류나 전압을 공급하기 위한 회로)에 보내지고, 트랜지스터(13)가 온ㆍ오프하게 된다.

이들 동작에 의해 소망의 전류치를 전류제어장치(18)에 입력하고, 그 전류치가 되도록 제어하고 있다.

다음으로, 소망의 레이저출력치가 되도록 하는 경우의 제어에 대하여 설명한다.

전류제어장치(18)는 소망의 레이저출력지령치 및 레이저출력 모니터용 센서 (11)를 통한 레이저출력 모니터값(현재의 레이저출력)을 입력한다.

그리고, 이 입력된 데이터의 차이량을 연산하고, 현재의 전류지령치를 제어한다.

이 제어된 전류지령치에 따라 외부로부터 소망의 전류치를 준 경우와 같이 트랜지스터(13)의 온ㆍ오프를 제어한다.

또한, 스위치(19)는 전류지령을 유효로 할 것인지, 레이저출력 지령을 유효로 할 것인지를 선택하는 전환스위치이다.

상술한 바와 같이 제어되는 고체 레이저 발진기는 금속 등의 용접이나 절단에 사용된다.

이때, 소망의 레이저출력을 유지할 수 없는 경우, 용접불량이나 절단불량이 발생되어 버리기 때문에, 소망의 레이저출력을 유지할 수 없는 경우에는 외부에 이상(abnormality)을 알릴 수단이 필요하게 된다.

이 소망의 레이저출력이 얻어지지 않는 경우에, 이상을 외부에 알릴 수단의 예로서, 소망의 레이저출력이 최저 200W인 경우, 레이저출력의 모니터값이 200W에 도달하면, 온하는 회로(25)를 부가하여 두고, 온신호를 발진기 제어장치(26)에 입력하는 동시에 온시호를 기다리는 시간을 규정하며, 이 규정시간내에 이 신호가 온되지 않을 때에 이상을 알리도록 구성한 예가 있다.

또, 용접 등으로 과도하게 용해되는 것을 방지할 수 있도록 레이저출력의 상한치를 규정하는 경우에는 예컨대 최대 300W로 상한치를 설정하며, 이 출력을 초과한 때에 온하는 회로(24)를 부가하여 두고, 마찬가지로 이 온신호를 이상으로 알리도록 구성하는 예가 있다.

또, 레이저 다이오드(1)에는 흘릴 수 있는 최대전류가 규정되어 있기 때문에, 이 규정된 전류치 이상의 전류가 흐른 때에는 이상을 외부에 알릴 필요가 있다.

예컨대, 50A 이상의 전류가 흘러 레이저 다이오드(1)가 파손될 경우에는 전류센서 (11)로부터의 전류모니터값이 50A 보다 큰 경우에 온하는 회로(23)를 부가하여 두고, 그 온신호를 발진기 제어장치(26)에 입력하며, 이상을 알리도록 구성한다.

이 온신호에 따라, 발진기 제어장치(26)는 적절한 처리(전원차단 등)를 하고, 레이저 다이오드(1)를 보호한다.

여기에서는 레이저 다이오드(1)를 보호하는 예를 들었으나, 당연히 다른 소자(트랜지스터(13), 리액터(14) 등)에 흘릴 수 있는 전류치가 레이저 다이오드(1)에 흘릴 수 있는 전류치 보다 낮은 경우에는 그 소자에 맞춰서 전류치의 규정을 변경할 필요가 있다.

이와 같이 하여 고체 레이저 발진기에서는 레이저출력의 이상을 외부에 알리는 수단을 갖기 때문에, 용접이나 절단의 불량을 사전에 방지하고 있다.

또, 전류가 규정치 이상으로 흐르는 경우에는 이상을 외부에 알리는 수단에 의해 각 소자를 보호하고 있다.

상술한 종래의 고체 레이저 발진기에서는 레이저출력의 상한치를 초과하였다는 이상과 전류의 규정치를 초과하였다는 이상이 동시에 발생한 때에는 레이저 다이오드(1)에 전류가 너무 많이 흘렸다고 판단하고, 전원관계의 이상에 의해 레이저출력의 상한치를 초과하였다고 판단할 수 있다.

또한, 여기서 말하는 전원관계의 이상이라는 것은, 도 1에서의 레이저 다이오드(1)를 제외한 광의 증폭부분의 이상(PR미러, TR미러의 손상 등)이 아닌, 전원에 사용하고 있는 소자 등의 고장을 의미한다.

한편, 레이저출력의 상한치를 초과하였다는 이상(전류의 규정치를 초과하였다는 이상이 발생하지 않은 경우)만을 알리는 경우에는 전원관계의 이상의 유무를 판단할 수 없다.

한 예로서 도 12에서 출력의 제한치를 하한 200W, 상한 300W로 하고, 규정의 최대전류치를 50A로 하며, 전류를 20A 흘리면, 레이저출력이 250W 얻어지고, 40A 흘리면 350W 얻어지는 레이저 발진기에 있어서, 소망의 전류지령치를 28A로 한 경우에 대하여 설명한다.

전류센서(11)로부터의 전류모니터값이 게인조정(20)에 이상이 있고, 실제 전류치의 0.5배의 값을 비교기(21)로 되돌린 경우, 본래는 20A의 전류가 레이저 다디오드(1)에 흐르도록 제어되나, 실제는 (1/0.5)배인 40A의 전류가 레이저 다이오드에 흐르도록 제어되기 때문에, 레이저출력은 350W 가 된다.

이 때문에, 종래기술에서는 출력의 상한을 초과한 레이저출력의 이상으로 판단된다.

또한, 이때에 실제 레이저 다이오드(1)에 흐르고 있는 전류는 40A이고, 규정된 최대전류치 이하이므로 전류의 규정치를 초과하였다는 이상은 발생되지 않는다.

통상, 레이저출력의 상한치를 초과한 이상이라는 것은 광의 증폭부분에서의이상이라고 생각되나, 이 경우에는 광의 증폭부분의 이상이 아니고, 전류제어장치 (18)의 게인조정(20)의 이상이며, 전원관계의 이상이라고 하지 않으면 안되지만, 그것을 확실하게 검출할 수 없었다.

또, 레이저 다이오드(1)로의 배선이 단선되어 있던 경우에는 레이저 다이오드(1)에 전류가 흐르지 않고, 당연히 레이저출력은 나오지 않는다.

이 때문에, 레이저출력은 제한치의 하한보다 낮게 되고, 레이저출력의 이상이 발생된다.

또한, 이때에 레이저 다이오드(1)에는 전류가 흐르지 않기 때문에, 전류의 규정치를 초과하였다는 이상은 발생되지 않는다.

이 경우도 마찬가지로 광의 증폭부분의 이상이 아니고, 단선이라는 전원관계의 이상이라고 판단하지 않으면 안되지만, 레이저출력의 이상만으로는 그 특정을 할 수 없었다.

이것은 전원의 이상검출이 전원 본체의 보호(레이저 다이오드(1)나 트랜지스터(13) 등의 소자의 보호)를 목적으로 하여 설정되어 있기 때문에, 용접불량이나 절단불량의 원인으로 될 수 있는 전원의 이상이 레이저출력의 이상으로 검출되도록 되어 있기 때문이다.

즉, 종래의 레이저 발진기에서는 레이저출력의 이상에 의한 용접불량이나 절단불량의 발생을 방지할 수 있으나, 광의 증폭부분의 이상인지 전원관계의 이상인지 판단할 수 없고, 이상 부위의 특정이 곤란하며, 이상 발생시의 처치에 상당한 시간이 필요하였다.

본 발명은 레이저 발진기의 고장을 검출하는 이상판정수단에 관한 것이며, 레이저광의 증폭부분의 이상인지 전원관계의 이상인지를 확실하게 판단할 수 있고, 고장부위의 특정을 용이하게 하는 것이다.

도 1은 실시예 1에서의 레이저 발진기의 개략적인 구성을 표시하는 구성도.

도 2는 이상 판정의 처리플로를 표시한 플로차트.

도 3은 레이저 다이오드의 등가회로를 표시하는 설명도.

도 4는 전류파형을 표시하는 도면.

도 5는 전류파형의 근사를 표시하는 도면.

도 6은 이상 판정의 시퀸스.

도 7은 실시예 2에서의 허용범위의 설정을 표시하는 도면.

도 8은 실시예 3에서의 레이저 발진기의 개략적인 구성을 표시한 구성도.

도 9는 트랜지스터의 온ㆍ오프파형 판정을 표시하는 도면.

도 10은 트랜지스터의 온ㆍ오프파형 생성을 표시하는 도면.

도 11은 종래의 레이저 발진기의 개략적인 구성을 표시하는 구성도.

도 12는 전원장치(10)의 내부의 구체예를 표시하는 구성도.

도 13은 히스테리시스 컴퍼레이터 제어, PWM 제어의 설명도이다.

본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위한 것이고, 용접불량이나 절단불량의 발생을 방지하는 동시에 고장부위의 특정을 용이하게 하는 장치를 제공하는 것이다.

이 목적을 달성하기 위하여 제1의 관점에 의하면, 입력되는 레이저출력지령치 또는 전류지령치에 따라 레이저매질로의 여기를 제어하여 소망의 레이저출력을 얻는 레이저 발진기에서, 상기 레이저출력지령치 또는 전류지령치로부터 기준이 되는 레이저출력파형 및 전류파형을 생성하는 기준파형 생성수단과, 레이저매질이 여기를 위한 전류치를 전류모니터값으로서 입력하고, 상기 기준파형 생성수단으로 생성한 상기 전류파형과 비교하는 제1의 비교수단과, 여기되고 출력되는 레이저출력치를 레이저출력 모니터값으로서 입력하며, 상기 기준파형 생성수단으로 생성한 상기 레이저출력파형과 비교하는 제2의 비교수단을 구비하고, 이상을 검출하는 것이다.

또, 레이저매질을 여기하기 위한 레이저 다이오드에 흐르는 전류를 제어하는 주회로소자의 온ㆍ오프신호 또는 그 모니터신호를 입력하고, 레이저출력지령치 또는 전류지령치로부터 기준파형 생성수단으로 생성된 주회로소자의 온·오프신호와 비교하는 제3의 비교수단을 구비한 것이다.

또, 비교수단에서 비교를 할 때에 기준파형에 대하여 소정의 허용범위를 설정하는 것이다.

실시예 1.

도 1은 본 발명의 실시예 1에서의 레이저 발진기의 구성을 표시하는 구성도이다.

우선, 전원장치(10)의 기본 동작에 대하여 설명한다.

전원장치(10)에서 입력전원은 정류유닛(16)에 의해 직류로 변환되고, 콘덴서 (17)에 충전된다.

여기서, 트랜지스터(13)가 온함으로써 리액터(14)를 통하여 레이저 다이오드 (1)에 전류가 흐르기 시작한다.

트랜지스터(13)가 온되어 있는 동안은 레이저 다이오드(1)에 흐르는 전류가 증가되어 가기 때문에 전류가 소망의 전류치 보다 크게 되면, 트랜지스터(13)를 오프하여 전류를 감소시킨다.

역으로, 전류가 소망의 전류 보다 작게 되면, 트랜지스터(13)를 온하여 전류를 증가시킨다.

이 온ㆍ오프를 반복함으로써 전류를 소망의 전류치에 제어한다.

이 온ㆍ오프의 타이밍의 제어에는 종래기술에서 설명한 예컨대 도 13에 표시되는 바와 같이 전류치에 상한치, 하한치를 설정하여 그 상하한치의 범위에서 온ㆍ오프를 제어하는 히스테리시스 컴퍼레이터 제어나 어느 일정기간중의 온시간을 제어하는 PWM 제어 등이 있다.

다음으로, 제어에 대하여 도 1을 사용하여 상세하게 설명한다.

전류제어장치(18)는 소망의 전류치(전류지령치) 및 전류센서(12)를 통하여 적절한 게인조정(20)이 된 현재 흐르고 있는 전류치를 입력한다.

그리고, 이 두 종류의 입력된 데이터를 히스테리시스 컴퍼레이터 제어의 경우에는 비교기(20)에 입력하고, 미리 설정되어 있는 온하는 전류치, 오프하는 전류치와 비교하여 트랜지스터(13)를 온하는지 오프하는지를 판정한다.

한편, 도면에는 표시되어 있지 않으나, PWM 제어의 경우는 이 두 종류의 입력된 데이터의 차이량을 마이컴 등으로 연산하고, 일정기간중의 온시간을 증감한다.

다음으로, 본 실시예의 특징인 이상판정장치(22)의 동작에 대하여 설명한다.

종래의 이상판정장치에서는 미리 설정된 전류제한치, 레이저출력 상한치, 레이저출력 하한치와 입력된 전류모니터값 및 레이저출력 모니터용 치를 비교함으로써 이상판정을 하고 있었으나, 본 실시예에서는 전류지령치, 레이저출력지령치를 입력하는 구성으로 하고, 입력된 전류모니터값 및 레이저출력 모니터값을 비교하도록 하고 있다.

도 2는 이상판정회로에서의 이상판정의 처리플로를 나타내는 플로차트이고, 이 플로차트를 사용하여 이상판정의 개략적인 동작에 대하여 설명한다.

우선, 스텝 S1에서 전류지령치, 레이저출력지령치를 입력한다.

또한, 전류지령치, 레이저출력지령치는 어느 한쪽이 입력된다.

스텝 S2에서는 그 어느 한쪽의 지령치로부터 그 지령치에 대응하는 기준이 되는 전류 및 데이터 출력의 파형을 생성한다(이하, 그 지령치에 대응하는 기준이 되는 전류 및 레이저출력의 파형을 각각 전류기준파형 레이저출력 기준파형으로 한다).

스텝 S3에서는 각각의 기준파형으로부터 전류센서(12)를 통하여 검출된 전류모니터값인 실제의 전류 및 레이저출력 모니터용 센서(11)를 통하여 입력된 레이저출력 모니터값인 레이저출력이 다르게 되어 있어도 허용할 수 있는 범위를 설정한다.

스텝 S4에서는 제1의 비교수단인 비교부(28)에서 그 허용할 수 있는 범위와 전류모니터값를 비교하고, 허용할 수 있는 범위로부터 벗어난 경우, 스텝 S5에서 이상이라고 판정하며, 에러의 신호를 발진기 제어장치(26)에 출력한다.

스텝 S6에서는 제2의 비교수단인 비교부(29)에서 그 허용할 수 있는 범위와 레이저출력 모니터값를 비교하고, 허용할 수 있는 범위로부터 벗어난 경우, 스텝 S7에서 이상으로 판정하며, 에러의 신호를 발진기 제어장치(26)에 출력한다.

상술한 스텝 S1 ~ 7의 동작을 반복하여 실행하고, 고체 레이저 발진기를 감시한다.

다음으로, 전류지령치 또는 레이저출력지령치로부터 전류기준파형 및 레이저출력 기준파형의 생성에 대한 구체예를 설명한다.

우선, 전류지령으로부터 전류기준파형을 생성하는 예에 대하여 기술한다.

전류기준파형은 도 1에서 프랜지스터(13)가 온되어 있을 때, 리액터(14)와 부하인 레이저 다이오드(1)의 특성에 의해 결정되는 상승파형으로 된다.

여기서, 레이저 다이오드(1)의 특성은 도 3과 같이 저항 R과 직류전압원 V로 근사할 수 있으므로 도 4에 나타내는 바와 같이, 전류는 거의 직선적으로 증가한다.

이때의 상승의 전류의 경사는 리액터(14)의 인덕턴스치를 L1, 레이저 다이오드(1)에 근사한 저항치를 R1로 하면, 대략 경사는 (R1/L1)의 값에 의해 결정되는 정수 α로서 구해진다.

이 정수 α는 리액터(14)와 레이저 다이오드(1)의 특성이 변하지 않을 때에는 항상 결정된 값으로 되므로, 리액터(14)와 레이저 다이오드(1)의 특성이 변경되지 않는 한 전류의 상승파형은 정수 α를 사용하여 표시할 수 있고,

전류 I = 경사 α×시간 t라고 수식으로 표시할 수 있다.

또, 정수 α가 전류지령치에 따르지 않고 일정하므로 소망의 전류치에 도달하는 시간이 전류지령치에 따라 다르다.

전류지령치를 I1로 하면, I1까지의 도달시간은 (I1/α)로 표시된다.

따라서, 전류는 아래와 같은 함수로 표시될 수 있다.

0≤t≤(I1/α)일 때,

I = α×tㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ식 1

(I1/α)≤t일 때,

I = I1ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ식 2 로 된다.

전류가 함수로 표시되므로 이것을 전류기준파형으로 할 수가 있다.

또한, 레이저 다이오드(1)를 저항과 전압원으로 근사하게 표시하면, 비교적 단순한 함수로 표시할 수가 있으나, 레이저 다이오드(1)의 특성에 따라서는 단순히 저항과 전압원으로 표시하는 것이 불가능한 경우가 있다.

이런 경우에는 실제로 전류파형을 측정하여 근사곡선의 함수를 구하고, 그 함수를 전류기준파형으로 할 필요가 있다.

또 다른 방법은 도 5와 같이 실제의 전류파형을 계단근사하게 하는 방법이 있다. 시간 t1에서 t2까지의 사이의 전류치는 Ia와, 다음 시간 t2에서 t3간의 전류치는 Ib와 계단상으로 근사하게 하는 방법이다.

이런 근사의 극단적인 예가, 도 5(b)와 같이 시간 0에서 소망의 전류치로 되는 시간 tx까지 전류치는 0으로 하고, 시간 tx이후의 전류치는 소망의 전류치(11)로 한 경우이다.

이상과 같이, 전류지령에서 전류기준파형을 생성할 수가 있다.

다음으로 전류지령에서 레이저출력 기준파형을 생성하는 경우에 대해서 설명한다.

이 경우에는 전류치와 레이저출력사이의 관계함수를, 상기한 전류기준파형의 함수에 대입하면 구할 수가 있다.

레이저출력은 한계치전류(레이저가 발진되기 위해 필요한 최소전류)를 초과하면 전류의 증가에 비례하여 레이저출력이 증가하므로 전류(I)와 레이저출력(P)의 관계는

P = β×(I -)ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ식 3

으로 나타낼 수가 있다. 여기서, β는 비례정수,는 한계치전류이다.

전류기준파형이 식 1, 2의 함수로 표시되었다고 하면, 레이저출력은 아래와 같은 함수로 표시될 수 있다.

0≤t≤(I1/α)일 때,

P = β×(α×t-)ㆍㆍㆍㆍ식 4

(I1/α)≤t일 때,

P = β×(I1-)ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ식 5

로 된다.

레이저출력이 함수로 표시되므로 이것을 레이저출력 파형으로 할 수가 있다.

또한, 전류치와 레이저출력의 관계가 식 3과 같이 단순히 나타낼 수가 없는 경우에는 실제로 레이저출력 파형을 측정하여 근사곡선의 함수를 구하고, 그 함수를 레이저출력 기준파로 할 필요가 있다.

그외에 전류지령치에서 전류기준파형을 구하는 예로 계단근사한 경우도 예시하였으나, 레이저출력 기준파형을 구하는 경우에도 마찬가지로 계단근사하게 하는 것이 가능하다.

다음으로, 레이저출력 지령에서 전류기준파형을 생성하는 경우에 대하여 설명한다.

레이저출력 모니터값이 레이저출력지령치로 될 때까지 전류는 증가를 계속한다.

그리고 레이저출력지령치로 되면 전류는 일정치로 된다.

이 파형은 레이저출력지령치(P1)로 되는 전류치를 Ip1로 하면, 전류지령치에서 전류기준파형을 구한 경우의 전류지령치(I1)를 Ip1로 치환함으로써 얻을 수가 있다.

예를들면, 전류지령치, 실제의 전류 및 레이저출력이 식 1, 2, 3에서 표시되어 있으면, 식 3에 의해 레이저출력지령치(P1)로 되는 전류치(Ip1)는

Ip1 = (P1/β)+ㆍㆍㆍㆍㆍ식 6

으로 된다.

따라서, 식 1, 2에서

0≤t≤(((P1/β)+)/α)일 때,

I = (P1/β)+ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ식 7

(((P1/β)+)/α)≤t 일 때,

I = α×tㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ식 8

으로 된다.

이와 같이 전류가 함수로 표시되므로 이것을 전류기준파형으로 할 수가 있다.

또한, 전류지령치에서 전류기준파형 및 레이저출력 기준파형을 구하는 예에서도 설명하였으나, 실제로 전류파형을 측정하고, 근사곡선의 함수를 구하고, 그 함수를 전류기준파형으로 하며, 계단근사를 행하며, 전류기준파형으로 하는 것도 가능하다.

다음으로, 레이저출력지령에서 레이저출력 기준파형을 생성하는 예에 대하여 설명한다.

전류지령에서 레이저출력 기준파형을 생성하는 예에서도 설명한 바와 같이, 전류치와 레이저출력의 관계함수를 전류기준파형의 함수에 대입하면 구할 수가 있다.

예를들면, 전류기준파형이 식 7, 식 8로 되어 있을 때에는 식 3에서,

0≤t≤(((P1/β)+)/α)일 때,

P = β×(α×t-)ㆍㆍㆍㆍ식 9

(((P1/β)+)/α)≤t 일 때,

P = P1ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ식 10

으로 된다.

이와 같이, 레이저출력이 함수로 표시되므로, 그것을 레이저출력 기준파형으로 할 수가 있다.

물론, 실제로 레이저출력파형을 측정하고, 근사곡선의 함수를 구하고, 그 함수를 레이저출력 기준파형으로 하여 계단근사를 행하고, 레이저출력 기준파형으로 하는 것도 가능하다.

이상의 예는 전류 및 레이저출력의 상승과 일정한 치를 취하는 경우에 대한 예를 설명하였으나, 하강의 경우에도 동일하게 기준파형을 생성할 수 있다.

또, 전류지령, 레이저출력지령이 없을 때, 바꾸어 말하면, 전류치 OA 또는 레이저출력 OW를 지시하고 있을 때에는, 당연히 전류치 OA 또는 레이저출력 OW인 기준파형을 생성할 수가 있다.

다음으로, 상기와 같이 구하여진 전류기준파형, 레이저출력파형에 대해서 실제의 전류모니터값 및 레이저출력 모니터값이 다르게 되어 있어도 허용되는 범위를 설정할 필요가 있다.

이것은 부하인 레이저 다이오드(1) 및 리액터(14)의 특성에 불규칙성 (variance)이 존재하므로 각각의 기준파형과는 다른 경우가 있기 때문이다.

이 허용범위를 결정하기 위해서는,

1. 리액터 및 레이저 다이오드의 특성의 불규칙성에 의한 전류경사의 불규칙성,

2. 전류센서의 오프셋 차이(실제예는 OA이지만, 1A 흐르고 있는 것 같이 센서의 신호를 출력한다)에 의한 전류치의 평행이동,

3. 트랜지스터의 온ㆍ오프제어에 의한 전류의 최대전류치와 최소전류치의 불규칙성(도 13에서 트랜지스터 전류치와 오프전류치와의 차),

등을 고려할 필요가 있다.

상기와 같은 항목을 검토하여 허용범위를 결정하지만, 그 구체적 수치에 대해서는 전원에 따라 다르므로, 여기서 상세하게는 설명하지 않지만, 허용범위의 설정방법의 예에 대하여 설명한다.

전류기준파형, 레이저출력 기준파형은 서로 동일한 형태이므로, 여기서는 전류기준파형을 예를들어 설명한다.

허용범위를 설정한 후에 정상인가 이상인가의 판정을 행하나, 그 판정은 어느 시간에서의 기준파형에서 어느 정도 모니터값이 벗어나 있는가를 측정하여, 정상인가 이상인가의 판정을 행한다.

또는, 소정의 기준전류에 도달하는 시간이 기준치와 어느 정도 다른가를 측정하여, 정상인가 이상인가의 판정을 행한다. 이와 같은 2개의 방법이 고려되며,그 각각에 의해 허용범위의 설정이 다르다.

따라서 특정 시간의 모니터값이 기준치와 어느 정도 다른가를 측정하는 경우, 도 6a와 같이 특정 시간에서 허용할 수 있는 모니터값의 최대값과 최소값을 설정해야만 한다.

한편, 소정의 기준전류에 도달하는 시간이 기준 시간치와 어느 정도 다른가를 측정하는 경우, 도 6a와 같이 소정의 기준전류에 대하여 도달시간의 폭을 설정하여야 한다.

이 경우, 일정전류에 도달한 후에는 특정 시간의 모니터값이 기준치와 어느 정도 차이가 있는가의 판정으로 변경할 필요가 있다.

이들의 허용범위는 항상 일정치가 아니라도 무방하며, 전류지령치, 레이저출력지령치에 관련시켜서 변화시켜도 좋고, 경과시간에 의해 변화시켜도 된다.

허용범위 설정후, 그 허용되는 범위와 전류모니터값 및 레이저출력 모니터값을 비교한다.

그 비교는 상기한 바와 같이, 특정 시간의 모니터값이 기준치와 어느 정도 다른가를 측정한다. 또한, 소정의 기준전류에 달하는 시간이 기준 시간치와 어느 정도 다른가를 측정하는 등의 비교를 실시하여, 기준범위에서 벗어난 경우에는 이상으로 판정하여 에러의 신호를 발진기 제어장치(26)에 출력한다.

그 비교 타이밍에 있어서, 상시 감시해도 좋으나, PC를 사용한 제어 등의 경우에는 일정주기마다 기준범위로부터 차이가 있는가를 감시하여도 좋다.

또, 절단이나 용접에서는 레이저출력이 일정하게 된 후에 가공을 행하는 것이 대부분이므로, 전류나 레이저출력이 일정하게 되는 시간까지는 비교를 행하지 않고, 전류나 레이저출력이 일정하게 된 후에 비교를 개시하도록 하여도 된다.

본 실시예에서는 그와 같은 동작을 행함으로써 기준이 되는 파형에 모니터값이 벗어난 것을 검출하고, 용접불량이나 절단불량의 발생을 방지함과 동시에, 레이저출력의 이상 발생시에 광의 증폭부분의 이상인가 전원관계의 이상인가를 확실하게 판단할 수 있어 고장부위의 특정을 용이하게 할 수가 있다.

종래기술에서 설명한 예와 동일한 경우, 즉 출력의 제한치를 하한 200W, 상한 300W로 하고, 규정의 최대전류치를 50A로 하여 전류를 20A 흘리면 레이저출력이 250W 얻어지며, 40A 흘리면 350W 얻어지는 것으로 하여 소망의 전류지령치를 20A로 한 경우에 대하여 설명한다.

전류센서(11)에서의 전류모니터값이, 게인조정앰프(20)에 이상이 있어서 실제의 전류치의 0.5배인 값을 비교기(21)에 되돌리는 경우, 본래는 20A의 전류가 레이저 다이오드(1)에 흐르도록 제어되어야 하지만, 실제로는 (1/0.5)배의 40A의 전류가 레이저 다이오드(1)에 흐르게 되어 레이저출력은 300W 가 된다.

따라서 레이저출력의 이상으로 판단된다.

종래의 실시예에서는 전원의 이상은 발생하지 않지만, 본 발명에서는 기준이 되는 파형에서, 예로써 3A 이상 다른 경우에 이상으로 판단되도록 설정하면, 실제의 전류는 40A이므로 기준이 되는 파형인 20A와 3A이상 다르게 되어 전원의 이상을 발견할 수가 있다.

즉, 광의 증폭부분의 이상이 아니라 전류제어장치(18)의 게인조정앰프(20)의이상이며, 정확하게는 전원관계의 이상으로 판단된다.

한편, 레이저 다이오드(1)에의 전선이 단선되어 있을 때, 레이저출력은 제한치의 하한 보다 낮게 되어 레이저출력의 이상이 발생함과 동시에 전류도 흐르지 않으므로 기준이 되는 파형과 다른 전원의 이상도 발생한다.

이에 따라 발생한 레이저출력의 이상은 전원의 이상에 의해 발생한 것으로 판단된다.

레이저출력의 이상이 발생하였을 때, 전원의 이상이 발생하고 있지 않는 경우를 생각해보면, 종래기술에서는 실제로 흐르고 있는 전류의 파형을 기준이 되는 파형과 비교하고 있지 않으므로 레이저 다이오드(1)에 전류가 정확히 흐르고 있는(기준이 되는 파형대로 흐르고 있다)가 의 여부를 판단할 수 없어 전원관계에 이상이 없다고는 단정되지 않는다.

그러나, 본 발명에서는 실제로 흐르고 있는 전류의 파형을 기준이 되는 파형과 비교하고 있으므로 레이저 다이오드(1)에 전류가 정확히 흐르고 있는(기준이 되는 파형대로 흐르고 있음) 것은 명확하며, 광의 증폭부분의 이상이며, 전원관계에 이상이 없다고 판단된다.

또, 레이저출력의 이상을 감시하고 있으므로 절단불량이나 용접불량은 발생하지 않는다.

상기와 같이, 본 발명에서는 전류센서(12)를 통하여 검출된 전류모니터값 및 레이저출력 모니터용 센서(11)를 통하여 입력된 레이저출력 모니터값과, 외부에서의 전류지령치 또는 레이저출력지령치에서 구해진 전류 및 레이저출력의 기준이 되는 파형과의 비교를 실시하여 상위한 경우에 개별적으로 이상을 알리는 것을 특징으로 하고 있으므로 절단불량이나 용접불량의 발생을 방지함과 동시에 레이저출력의 이상 발생시에 광의 증폭부분의 이상인가 전원관계의 이상인가를 확실하게 판단할 수 있어, 고장부위의 특정을 용이하게 할 수가 있다.

실시예 2.

본 실시예 2는 기준파형의 설정방법이 실시예 1과 다른 경우이며, 그 파형의 설정방법은 도 7에 나타낸 바와 같다.

실시예 1에서는 전류지령치나 레이저출력지령치에 따라 다른 기준파형을 생성하고 있었으나, 본 발명의 형태 2에서는 전류지령치나 레이저출력지령치의 대표치에 따라 기준파형을 생성한다.

대표치를 취하는 방법은 전류지령이나 출력지령의 최대치도 좋으며, 중심치로도 좋다.

이것을 기준파형으로 하여 전원을 구성하고 있는 소자의 불규칙성 등에 부가하여 전류지령이나 레이저출력지령이 다른 경우의 전류모니터값나 레이저출력치의 변화도 고려하여 허용가능한 범위를 설정한다.

또, 별도의 기준파형을 취하는 방법으로서는 전류지령의 최소치 및 최대치에 따라 기준파형을 설정하고, 거기에 소정의 허용가능한 범위를 설정하여도 동일하다.

이와 같이 함으로써 실시예 1과 동일한 효과를 얻을 수가 있다.

실시예 3.

본 실시예는 실시예 1에 추가하여 트랜지스터(13)의 온ㆍ오프신호를 이상판정장치(22)의 제3의 비교수단에 상당하는 비교부(30)에 입력하는 구조로 되어 있다(도 8).

트랜지스터(13)의 온ㆍ오프신호는 트랜지스터(13)의 게이트 드라이브소자의 전압변화를 측정하면 트랜지스터(13)의 온ㆍ오프신호로써 사용한다.

또는, 트랜지스터의 컬렉터전압과 컨덴서의 -전극간의 전위차를 측정(도 8의 α부)해서 컨덴서의 +전위와 동전위일 때에는 트랜지스터가 온되어 있는 것으로 판단하며, 역으로 컨덴서의 -전위와 동전위의 경우 트랜지스터가 오프되어 있는 것으로 판단할 수가 있기 때문에, 그 전압변화를 트랜지스터의 온ㆍ오프신호로서 사용할 수가 있다.

본 실시의 형태에서는 이와 같이 하여 트랜지스터의 온·오프신호를 모니터할 수 있다.

이 트랜지스터의 온ㆍ오프신호도 전류지령치나 레이저출력지령치에서 기준이 되는 트랜지스터 온ㆍ오프기준파형을 생성한다.

트랜지스터 온ㆍ오프기준파형의 생성방법의 예로써 도 9와 같은 히스테리시스 컴퍼레이터(hystersis comparator)와 같이 어느 전류치에서 트랜지스터의 온ㆍ오프가 규정되어 있는 경우에 대하여 설명한다.

이때, 전류의 증가시의 기울기는 (R1/L1)의 값에 의해 결정하는 정수(α1), 감소시의 기울기도 (R1/L1)의 값에 의해 결정하는 정수(α2)로 된다.

트랜지스터의 온하는 전류치를 Ion, 오프하는 전류치를 Ioff로 하면, 트랜지스터가 온하여 있는 시간 Ton과 오프하고 있는 시간 Toff는

Ton = (Ion-Ioff)/α1ㆍㆍㆍㆍ식 11

Toff = (Ioff-Ion)/α2ㆍㆍㆍ식 12

로 된다.

이것은 일정한 전류치로 된 후의 관계이며, 일정한 전류로 될 때까지는 트랜지스터는 온한 상태 그대로이다.

이 온시간 Ton1은 전류지령치를 I1라고 하면

Ton1 = I1/α1ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ식 13

으로 된다.

또, 일정한 전류치에서 0A로 될때까지의 시간 Toff1은

Toff1 = I1/α2ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ식 14

으로 된다.

이들의 식에서 주어진 트랜지스터의 온ㆍ오프의 시간을 기준파형으로 할 수가 있다.

물론, 트랜지스터의 온ㆍ오프파형을 실제로 측정하여, 그 파형을 기준파형으로 하여도 된다.

그 기준파형에 의해 도 10과 같이 기준파형의 온에서 모니터값의 오프까지의 간격(도 10의 B)을 측정하여, 기준파형의 오프 시간과의 허용범위내(도 10의 D)에 들어와 있는가를 판정한다.

또는, 모니터값의 온에서 모니터값의 오프의 간격(도 10의 C)을 측정하여, 기준파형의 온에서 오프까지의 간격(도 15의 A)와 비교하여 허용범위에 들어와 있는가를 판정한다.

여기서는 1주기중의 온에서 오프까지의 간격으로 예를 나타냈으나, 온에서 온까지의 간격, 1주기 이상의 간격 등으로 판정해도 된다.

이상과 같은 판정결과에 따라 발진기제어장치(26)에 에러신호를 출력한다.

이와 같은 구성으로 함으로써 트랜지스터의 온ㆍ오프신호가 정상으로 동작하고 있는가를 확인하는 것이 가능하므로 전류파형이 이상일 때 제어시호(트랜지스터의 온ㆍ오프신호 등)가 이상인 것인가, 제어신호는 정상인데 전류의 파형을 결정하는 리액터 및 레이저 다이오드의 특성이 이상인 것인가를 판단할 수가 있다.

즉, 레이저출력의 이상 발생시에 광의 증폭부분의 이상인가, 전원관계의 이상인가를 판정할 수 있도록 전원이상에 대하여도 다시금 상세하게 고장부위의 특정이 가능하게 된다.

위에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 기준이 되는 파형에서 모니터값이 벗어난 것을 검출함으로써 레이저출력의 이상 발생시에 광의 증폭부분의 이상인지 전원관계의 이상인지, 이상원인을 확실하게 판단할 수가 있어 고장부위의 특정을 용이하게 할 수가 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의한 레이저 발진기는 레이저 발진기의 고장을 검출함으로써 고장부위의 특정을 용이하게 하여 작업을 효율화시키는데 적합하다.

Claims (3)

1. 입력되는 레이저출력지령치 또는 전류지령치에 따라, 레이저매질(laser mediwm)의 여기(excitation)에 있어서, 레이저출력지령치 또는 전류지령치에서 기준이 되는 레이저출력파형 및 전류파형을 생성하는 기준파형 생성수단과 레이저매질의 여기에 사용되는 전류치를 전류모니터값으로 얻으며, 전류치를 기준파형 생성수단에 의해 생성된 전류파형과 비교하는 제1비교수단과, 여기시켜 출력되는 레이저출력치로 레이저출력 모니터값으로 얻으며, 레이저출력치를 기준파형 생성수단에 의해 생성된 레이저출력파형과 비교하는 제2비교수단을 구비하여, 이상 (abnormality)을 검출하는 것을 특징으로 하는 레이저 발진기.
2. 레이저매질을 여기하는 레이저 다이오드에 흐르는 전류를 제어하는 주회로소자의 온·오프신호 또는 주회로소자의 모니터신호를 얻어 레이저출력지령치 또는 전류지령치에서 기준파형 생성수단에 의해 생성된 주회로소자의 온·오프신호와 비교하는 제3비교수단을 구비함을 특징으로 하는 레이저 발진기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 비교수단에 의해 비교로 할 때, 기준파형에 대해서 소정의 허용범위를 설정하는 것을 특징으로 하는 레이저 발진기.