精確にレーザ出力を補正できる高出力レーザ装置
【課題】レーザ装置の内外の環境要因に大きく左右されるレーザおよびレーザパワーモニタを備えたレーザ装置であっても、該環境要因の影響を効果的に減じて、定格出力から低出力まで、精確にレーザ出力を補正できる高出力レーザ装置の提供。
【解決手段】レーザ装置１０は、レーザ出力値を測定するレーザパワーモニタ１２と、レーザパワーモニタ１２により測定された出力測定値とレーザ出力指令値とが合致するように、レーザ電源１４への励起エネルギー注入量を補正する出力補正機能を備えたレーザ制御装置１６とを有し、レーザ制御装置１６は、レーザ出力指令を作成するレーザ出力指令部１８を有し、レーザ出力指令は、補正する必要がない場合は励起エネルギー指令に換算されてレーザ電源１４に送られるが、補正の必要がある場合はレーザ制御装置１６の出力補正部２４がレーザ出力指令を補正する。
【解決手段】レーザ装置１０は、レーザ出力値を測定するレーザパワーモニタ１２と、レーザパワーモニタ１２により測定された出力測定値とレーザ出力指令値とが合致するように、レーザ電源１４への励起エネルギー注入量を補正する出力補正機能を備えたレーザ制御装置１６とを有し、レーザ制御装置１６は、レーザ出力指令を作成するレーザ出力指令部１８を有し、レーザ出力指令は、補正する必要がない場合は励起エネルギー指令に換算されてレーザ電源１４に送られるが、補正の必要がある場合はレーザ制御装置１６の出力補正部２４がレーザ出力指令を補正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ装置に関し、特には、レーザ出力をより精確に補正できる高出力のレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工などの目的で使用されるレーザ装置においては、所定の加工性能を得るためにレーザ出力を補正する必要がある場合が多い。例えば特許文献１には、レーザ発振器又はレーザ応用装置の所定箇所の測定温度が一定の温度範囲内になるようにレーザ発振器を暖機又は冷却をした上で、レーザ出力指令値を補正する補正係数を決定するレーザ装置が開示されている。
【０００３】
また特許文献２には、実際のレーザ運転前に予め、レーザ電源に対して複数の指令電圧を異なるレベルでランダムに与えることにより、指令電圧値または指令電流値とレーザ光のエネルギー値との関係を示すデータテーブルを作成し、実際のレーザ運転時には、出力指令値に対応する指令電圧または指令電流を該データテーブルから読み出して、レーザ電源に対して出力する手段を備えたレーザ出力制御装置が開示されている。
【０００４】
さらに特許文献３には、連続発振開始毎に少なくとも最初の発振のレーザ光のエネルギーとレーザ励起強度に関連した情報を記憶手段に記憶し、発振休止後次回の連続発振開始時のレーザ励起強度を決定する際に、この記憶されていた前回の連続発振時の最初の発振のレーザ光のエネルギーとレーザ励起強度に関連した情報を用いることにより、発振開始直後から目標エネルギー設定値に対するレーザエネルギーのずれ量を補正し、レーザ出力を一定にすることができる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２５１８５５号公報
【特許文献２】特開平９−１０７１４６号公報
【特許文献３】特開平６−６１５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レーザ装置において、指令値に合致したレーザ出力を得る方法として、フィードバック制御を用いる方法がある。但しフィードバック制御には、レーザパワーモニタなどの、レーザ出力を迅速かつ精確に測定する手段が不可欠である。但しレーザパワーモニタは波長帯によっては高価で信頼性に欠けるため、検出周期の遅いパワーモニタが用いられる場合がある。このような場合、精度の高いフィードバック制御を行うことはできず、代わりにオープンループ制御又はフィードフォワード制御を組み合わせたフィードバック制御を用いて、指令値に合致したレーザ出力を得る方法が採用されることが多い。そしてこれらの場合、予め出力指令に対する実際のレーザ出力を予測するために、何らかの係数を求めるためのレーザ出力の補正を要する。
【０００７】
また、レーザは定格出力を出力できるように設計されているため、小さな出力では変動の割合が大きくなる。併せて、レーザパワーモニタについても、定格出力を精確に測定するように設計されているため、小さな出力では相対的に誤差が大きくなる。また当該変動や誤差はレーザ装置の内外の環境要因に大きく左右されるので、精確な出力補正は難しい。
【０００８】
さらには、レーザおよびレーザパワーモニタは様々な因子の影響を受けるため、小さなレーザの出力およびその測定は、測定時に至る温度変化の履歴にも左右される。すなわち、レーザおよびパワーモニタの内外の数箇所の温度が以前の測定時と同一であっても、必ずしも同じ測定結果とはならない。
【０００９】
そこで本発明は、レーザ装置の内外の環境要因に大きく左右されるレーザおよびレーザパワーモニタを備えたレーザ装置であっても、該環境要因の影響を効果的に減じて、定格出力から低出力まで、精確にレーザ出力を補正できる高出力レーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、所定のプログラムまたは操作者の入力に基づいてレーザ出力指令を作成するレーザ出力指令部と、前記レーザ出力指令に基づいてレーザ電源に送られる励起エネルギー指令を作成する励起エネルギー指令部と、前記レーザ電源が出力した励起エネルギーにより得られるレーザ出力を測定するレーザパワーモニタと、前記レーザパワーモニタにより測定されたレーザ出力と前記レーザ出力指令に含まれる指令出力とが合致するように、前記指令出力を補正するための補正係数を決定する出力補正部と、を備えるレーザ装置であって、補正係数決定のためのレーザ出力指令とは異なる、予め設定された単一または複数のレーザ出力指令条件および継続時間にて予備レーザ出力を行う手段と、所定時間後に補正係数決定のためのレーザ出力指令条件および継続時間にて補正用レーザ出力を行う手段と、をさらに備え、前記出力補正部は、前記予備レーザ出力および前記補正用レーザ出力の測定結果に基づいて補正係数を決定することを特徴とするレーザ装置を提供する。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ装置において、前記予備レーザ出力のレーザ出力は、出力値の異なる複数のレーザ出力指令によって出力され、前記出力値の異なる複数のレーザ出力指令は、出力値の高いレーザ出力から出力値の低いレーザ出力の順にレーザ出力を行う指令を含むことを特徴とするレーザ装置を提供する。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ装置において、前記出力補正部は、複数のレーザ出力指令条件におけるレーザ出力の測定結果に基づいてレーザ出力指令の補正を行うものであり、かつ、予め定めた値より低いレーザ出力指令条件のときのみ、前記出力補正部が前記レーザパワーモニタにより測定されたレーザ出力と指令出力とが合致するように前記指令出力を補正することを特徴とするレーザ装置を提供する。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ装置において、前記出力補正部は、複数のレーザ出力指令条件におけるレーザ出力の測定結果に基づいてレーザ出力指令の補正を行うものであり、かつ、最も低いレーザ出力指令条件を、他のレーザ出力指令条件での出力測定結果より算出することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置において、レーザ装置を提供する。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ装置において、前記出力補正部は、複数のレーザ出力指令条件におけるレーザ出力の測定結果に基づいてレーザ出力指令の補正を行うものであり、かつ、最も低いレーザ出力指令条件を、他のレーザ出力指令条件および予め記憶されている過去の出力補正における測定結果より算出することを特徴とするレーザ装置を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、補正用のレーザ出力指令とは異なるレーザ出力指令条件にて事前にレーザ出力を一定の順序に従って行うことにより、レーザの出力特性およびレーザパワーモニタの測定特性が安定し、精確な出力補正が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ装置の概略構成を示す図である。
【図２】指令出力と励起エネルギーの関係を示すグラフである。
【図３】励起エネルギーとレーザ出力の関係を示すグラフである。
【図４】指令出力とレーザ出力の関係を示すグラフである。
【図５】指令出力とレーザ出力の関係を示すグラフであって、レーザ出力の補正例を説明するグラフである。
【図６】（ａ）励起エネルギーとレーザ出力の関係を示すとともに、レーザ出力の補正例を説明するグラフであり、（ｂ）（ａ）の部分拡大図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るレーザ装置の概略構成を示す図である。
【図８】レーザ出力の補正操作を実行するにあたり、その前に補正用のレーザ出力指令とは異なるレーザ出力指令条件を定められた順序にて順次レーザ出力を行う様子を示したグラフである。
【図９】図８とは異なる出力指令条件にて順次レーザ出力を行う様子を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明に係るレーザ装置の概略構成を示す図である。レーザ装置１０は、レーザ出力値を測定するレーザパワーモニタ１２と、該レーザパワーモニタ１２により測定されたレーザ出力測定値とレーザ出力指令値とが合致するように、レーザ電源１４への励起エネルギー注入量を補正する出力補正機能を備えたレーザ制御装置１６とを有する。
【００１８】
レーザ制御装置１６は、ＮＣプログラムなどの所定のプログラム又は操作員からの直接入力を解読してレーザ出力指令を作成するレーザ出力指令部１８を有し、該レーザ出力指令は、製造直後などの補正する必要がない場合は、励起エネルギー指令部２０において電力、電圧又は光量などの励起エネルギー指令値に換算され、レーザ電源１４に指令される。レーザ電源１４は、該励起エネルギー指令値に従って、放電又は励起光といったエネルギーを放電管２２内のレーザガスなどのレーザ媒体に与え、レーザ発振を起こす。一方、レーザ出力指令を補正する必要がある場合はレーザ制御装置１６の出力補正部２４がレーザ出力指令を補正するが、これについては後述する。
【００１９】
放電管２２の各端には、全反射鏡であるリア鏡２６及び部分反射鏡である出力鏡２８が配置されており、これらの鏡と放電管２２とにより光共振器が構成される。放電管２２にレーザ電源１４より高周波電力が供給されると、放電管内のレーザガスが放電により励起され、光共振器において光が発生する。その光はリア鏡２６と出力鏡２８との間で反射を繰り返しながら、誘導放出により増幅され、その一部は出力鏡２８からレーザ光として外部へ取り出される。
【００２０】
出力鏡２８から出力されたレーザ光の一部は、該レーザ光の光路上に配置された部分透過鏡３０を透過し、上述のレーザパワーモニタ１２によって測定される。外部にレーザ出力されるレーザ光に対する、レーザパワーモニタ１２で測定に使用されるエネルギーの割合は０．１〜０．５%程度である。部分透過鏡３０で反射されたレーザ光は発振器の外に出射され、様々なアプリケーションに使用されるが、部分透過鏡３０で反射されたレーザ光を遮断又はビームアブソーバ３２に向けて反射可能に構成されたシャッタ３４を設け、該シャッタ３４によってレーザ光が発振器の外に漏れないようにすることも可能である。なお、リア鏡２６を部分透過鏡として、図１における部分透過鏡の機能も持たせ、レーザパワーモニタ１２をリア鏡２６の背後に配置する構成も可能である。
【００２１】
レーザパワーモニタ１２からのレーザ出力測定値がアナログ値の場合は、レーザ制御装置１６は、該レーザ出力測定値をアナログ信号値に変換するパワーモニタ値換算部（換算器）３６を有する。パワーモニタ値換算器３６は、レーザパワーモニタ１２からの出力値（アナログ信号）をＡ／Ｄ変換した上で、ゼロ点を補正し所定の倍率を乗じて、正しいレーザ出力値としてレーザ制御装置１６が扱える情報にする。
【００２２】
次に図２〜図４を参照して、出力指令に含まれる指令出力、励起エネルギー及びレーザ出力の関係を説明する。図２において曲線状の換算関数で示されるように、指令出力が与えられると、上述の励起エネルギー指令部２０が、該指令出力に相当する励起エネルギー量を算出する。図３はレーザ出力特性を示しており、レーザ電源１４から励起エネルギーが与えられると、それに応じてレーザ出力が得られる。ここで図２における換算関数の曲線が、図３におけるレーザ出力特性の逆関数となっていれば、図４に示す如く、指令出力に比例した好ましいレーザ出力が得られる。しかし一般的に、レーザ装置の環境やレーザ装置の構成部品の経年変化などにより、図３におけるレーザ出力特性は変化する。
【００２３】
これに対処する方法は幾つか考えられ、その一つはフィードバック制御を採用することであるが、このためには、精確で迅速なレーザ出力の測定が可能なレーザパワーモニタが不可欠である。ただし、このようなレーザパワーモニタは波長帯によっては高価であり、信頼性に欠ける場合もある。そこで、検出周期の遅いパワーモニタを用いることが考えられるが、その場合には、精度の高いフィードバック制御を行うことはできなくなるので、代わりにオープンループ制御、又はフィードフォワード制御を併用したフィードバック制御を用いて、指令どおりのレーザ出力を得る方法が採用されることが多い。このとき、図２〜図４で示した関数を、その時々に応じて補正すれば、レーザ出力の精度を高めることができる。
【００２４】
例えば、図４に示す指令出力とレーザ出力との関係が、図５に示すように、特性曲線４０から特性曲線４２に変化したとする。この場合に、Ｐc4に相当する指令出力が与えられると、レーザ出力Ｐ4（特性曲線４０のＡ点）が得られるべきところが、Ｐ4より大きいレーザ出力Ｐ4’（特性曲線４２のＢ点）が得られてしまう。このとき、Ａ点とＢ点のレーザ出力の比、すなわちＰ4／Ｐ4’をＰc4に乗じてＰc4’を得て、該Ｐc4’を指令出力とすることにより、概略、出力Ｐ4を得ることができる。
【００２５】
上述のような補正に用いる点を、例えば４つ（Ｐ1〜Ｐ4）に増やすことで、より精確なレーザ出力を得ることができる。さらに、レーザ出力が０Ｗ近傍のＰ0における補正は、微小なレーザ出力での精度を高めることができる。
【００２６】
また、図３の励起エネルギーとレーザ出力の関係を表す特性曲線を補正することができれば、図２の指令出力と励起エネルギー指令値の関係曲線はその逆関数であるから、図４に示すようにレーザ出力指令値とレーザ出力とを合致させる（Ｐc＝Ｐa）ことができる。そのような考え方の具体例を示したものが図６である。図６（ａ）は、特性曲線が４４から４６に変化したときに、Ｅ1からＥ4の励起エネルギー注入量に対して、Ｐ1からＰ4のレーザ出力が得られていたところが、それぞれ変化する状態を示している。ここで、レーザ装置による運転に先立ち予めＥ1からＥ4の励起エネルギーに対するレーザ出力値を測定して、該測定値に基づき、曲線４４で表される本来の出力特性のときに得られていた出力に応じてエネルギー注入量を補正しておけば、レーザ装置の運転時には出力指令値に概略合致するレーザ出力が得られる。
【００２７】
図６の特性曲線において、出力補正を考える場合においても、発振閾値に近いＰ0となる例えばＥ0のようなエネルギー注入量（図６（ｂ）参照）を求めておくことは、精確な微小なレーザ出力を得るために有効である。そして、補正を行う計算式としては、例えば、元の特性曲線４４を以下の式（１）で表すとき、補正後の特性曲線４６は、以下の式（２）によって計算することができる。
Ｐa ＝ ｆ(Ｅc) ＋ Ｅct （１）
Ｐa ＝ ｋ×ｆ(Ｅc) ＋ Ｅct' （２）
【００２８】
ここで、ｆは、ＥcからＰaを求めるための関数であり、出力特性表として励起エネルギー指令手段に格納されたパラメータから補間計算するなどして求めることができる。またＥctは、図で示すように発振閾値に相当するＥc（励起エネルギー指令値）である。なおｋは補正係数であるが、複数の出力に基づいて補正を行う場合は、それぞれの区間によって、ｋ12, ｋ23 .. のように複数の補正係数を用いることもできる。
【００２９】
ここで、ＥctやＥct'を精確に求めることは困難な場合があるので、元の特性曲線４４を次式（３）で表し、補正後の特性曲線４６を式（４）によって計算することもできる。
Ｐa ＝ ｆ(Ｅc) （３）
Ｐa ＝ ｋ×ｆ(Ｅc) ＋ ΔＥct （４）
【００３０】
ここで、ΔＥctは次式（５）によって求められるが、図６（ａ）の発振閾値付近を拡大した図６（ｂ）からわかるように、ΔＥctは（Ｅ0'−Ｅ0）で近似することができるので、式（４）は式（６）のようなより実用的な式に変更してもよい。このように、ΔＥctも補正係数の一つと考えることができる。
ΔＥct ＝ Ｅct' − Ｅct （５）
Ｐa ＝ ｋ×ｆ(Ｅc) ＋ （Ｅ0'−Ｅ0） （６）
【００３１】
上述のようにレーザ出力特性の変化に応じて出力補正を行うことは非常に有効であり、このことは、フィードバックを用いない制御では出力指令値又は励起エネルギー注入量に対する補正係数を算出することになり、フィードフォワード制御を併用するフィードバック制御ではフィードフォワード量の増減に関する係数を求めることになり、ＰＩ制御であれば積分器に指令出力に応じて与えるプリセット値を計算するための要素となる値を求めることになる。
【００３２】
上述のような補正係数を求める操作（以降、係数決定操作と称する）は、例えばレーザ装置を運転してレーザ加工などを行う前の予備操作として行われる。以下、図１のレーザ装置において係数決定操作がどのように行われるかを説明する。
【００３３】
図１において、レーザ装置１０を運転してレーザを出力するときは、シャッタ３４を開いてレーザ光線を外部に出射するが、係数決定操作を行うときは、シャッタ３４を閉じて外部にレーザは出射せずにビームアブソーバ３２にレーザ出力する。ビームアブソーバ３２はレーザビームをほぼ１００％吸収し熱に変える働きをする。
【００３４】
レーザ出力指令部１８は指令出力を含む出力指令を作成するが、同時に補正命令を出力補正部２４に出力する。補正命令は幾つかの信号を含んでおり、これらの信号には、レーザ装置１０が外部にレーザ出力を行う運転時に指令出力について補正計算を行って励起エネルギー指令部２０に対する指令出力に対して補正係数を用いた演算を施すための信号や、係数決定操作の実行を指令する信号などが含まれる。またレーザ出力指令部１８は、後述する予備レーザ出力や補正用レーザ出力を行うための指令も作成することができる。
【００３５】
係数決定操作は、例えば以下のような手順で実行される。まず、操作員からの直接入力又は予め用意されたＮＣプログラムによる指示により、レーザ出力を補正するための補正係数を求めるシーケンスが起動される。レーザ出力指令部１８は、定められた指令出力を含む出力指令を出力補正部２４に出力すると同時に、補正命令として、補正係数を求める指令を出力補正部２４に出力する。出力補正部２４は、レーザ出力指令部１８からの指令に従い、レーザ出力が安定するまで一定時間又は出力の変動が小さくなるまで、励起エネルギー指令部２０に、指令出力を含む出力指令を送る。このときは、運転時と異なり指令出力には補正係数を乗じないものとする。
【００３６】
励起エネルギー指令部２０は、出力補正部からの指令出力に応じた励起エネルギー指令値をレーザ電源１４に指令する。レーザ電源１４はこれに応じて、出力鏡２８とリア鏡２６との間のレーザ媒体にエネルギーを注入する。注入されたエネルギーにより励起されたレーザ媒体は、発光を始め、この光はリア鏡２６と出力鏡２８で発振・増幅され、部分透過鏡である出力鏡２８からレーザビームが出射される。これはパワーモニタ１２で測定され、測定されたレーザ出力値は出力補正部２４にて、指令出力と比較される。レーザ出力値と指令出力が合致していれば補正係数は１になるが、合致してなければ出力補正部２４に格納されている計算式にしたがって補正係数が算出される。
【００３７】
算出された補正係数は出力補正部２４に記憶される。前述のように補正係数は一つとは限らず、何点かの出力に応じて複数用意される場合もある。なおこの間、シャッタ３４は閉じられ、レーザ出力はビームアブソーバ３２で吸収されるので、外部にレーザが出力されることはない。
【００３８】
次に、レーザ装置１０を運転してレーザ加工などを行う場合、レーザ出力指令部１８は出力補正部２４に対して、指令出力に補正係数を用いて演算を行う指示を出すとともに、出力指令を送る。出力補正部２４は、指令出力と補正係数から計算された結果を励起エネルギー指令部２０に送る。このようにすると、出力されたレーザのレーザ出力値は概略指令出力と合致するものになる。
【００３９】
なお、複数の出力にて補正を行う場合、補正に用いられる出力以外の指令出力については、補正係数を補間演算する。こうして、あらゆる指令出力も適切に処理することが可能となる。
【００４０】
図７は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ装置１０’を示す図であり、図６に示すような励起エネルギー指令量に対して補正を行う場合の構成例を示している。なお図１の形態と同等の機能を有する構成要素には同じ参照符号を付し、詳細な説明は省略する。またレーザ電源やパワーモニタなどのレーザ制御装置１６’以外の部分も図１と同等でよいので、図示は省略する。
【００４１】
レーザ制御装置１６’において、係数決定操作の実行が補正命令として与えられると、一つまたは複数の励起エネルギーに対し順次、実際のレーザ出力値が測定される。実際には励起エネルギー指令値は指令出力値として与えられるので、図７に示す第２の実施形態では、励起エネルギー指令値と、パワーモニタで測定されたレーザ出力値とを出力補正部２４’で比較することにより、励起エネルギーについての補正係数が求まる。レーザ装置１０’を運転する際は、励起エネルギー指令値に補正係数を乗ずることにより、指令出力とレーザ出力値が概略一致する。
【００４２】
従来は、係数決定操作を行うにあたって、出力指令条件を一定に保ち、これを一定時間保持して安定させた後、又は、レーザ出力もしくはレーザ装置内の温度の変化が所定の範囲内に収まるまで待った後に、補正に用いるレーザ出力値を得ていた。これに対して本発明は、補正用のレーザ出力指令とは異なるレーザ出力指令条件を定められた順序にて順次レーザ出力を行い、その後、レーザ出力を補正するためのレーザ出力を行ってこれを測定し、このレーザ出力測定値に基づいてレーザ出力の補正を行うことを特徴とする。なお補正用のレーザ出力指令とは異なるレーザ出力指令条件と、その出力順序は、出力補正部もしくはレーザ出力指令部に格納されていてもよいし、又は、ＮＣプログラム等によって外部から与えられてもよい。
【００４３】
従来の方法は、係数決定操作に先立つレーザ装置の運転の履歴の影響を受けてしまう。具体的には、レーザ装置が立上げ直後なのか否か、或いは又はこれに加え、立上げ時のレーザ装置内外の温度状況などの要因により、求められた出力補正係数は影響を受け異なったものになる虞があるからである。殊に、レーザ発振するかしないかの発振閾値に近い微小なレーザ出力はその影響を大きく受けやすい。これに対し本発明では、補正用のレーザ出力指令とは異なるレーザ出力指令条件にて事前にレーザ出力を一定の順序に従って行うので、レーザの出力特性およびレーザパワーモニタの測定特性が安定し、発振閾値に近い微小なレーザ出力においても精確な出力補正が可能となる。
【００４４】
さらに、本発明では、高い出力指令に続いて低い出力指令を行って、レーザ装置の暖機運転を行った後、レーザの係数決定操作を行うことができる。レーザ出力はレーザ装置に注入されるエネルギーの数％から多くても３０％であるため、余分なエネルギーは熱として除去されるが、あるレーザ出力指令があったときにレーザ装置を構成する多くの部品が定常の温度状態に達するには、レーザ装置の各々の構成要素について、入熱量、除去される熱量および内部の温度状態が平衡状態となる必要があり、これには長い時間がかかる。そこで、高出力で迅速にレーザ装置を暖機した後、低出力でレーザ装置およびパワーモニタの過剰な熱を除去することにより、迅速かつ精確な係数決定操作が可能となる。
【００４５】
一般に、パワーモニタのような高感度のセンサ類は、レーザ装置内が高温になると安定的に精確な測定ができなくなる傾向がある。殊に、発振閾値に近い微小なレーザ出力を測定しようとする場合は、高出力でのレーザ発振を停止した直後もレーザ装置内は高温であるので、パワーモニタは一定温度まで冷却しなければ正常な値を出力しない。一方で、容積の大きい部品では、レーザ装置の立上げ後からその温度が安定するまでに、かなりの時間を要するものがある。このような部品については、レーザ出力が高い場合は比較的早く温度が定常状態となるが、レーザ装置の立上げ直後に発振閾値に近い微小な出力で測定を行おうとすると、レーザ装置が温度的な定常状態に達するまで多大な時間を要する。そこで、上述のように一旦、高出力で加熱後、冷却時間をおいて係数決定操作を実行することが極めて有効である。すなわち、高出力で迅速に暖機した後、低い出力でレーザおよびパワーモニタの過剰な熱を除去して安定した状態にすることにより、温度などのパラメータの繰り返し性がよくなり、早くて正確なレーザ出力補正が可能となる。
【００４６】
図８および図９はその具体例を示すものであり、補正係数決定用のレーザ出力指令により得られる補正用レーザ出力に基づいて補正係数決定操作を実行するにあたり、その前に補正係数決定用のレーザ出力指令とは異なる、予め設定された単一または複数のレーザ出力指令条件および継続時間にて、予め定められた順序で順次レーザ出力（これを予備レーザ出力とも称する）を行う様子を示したものである。
【００４７】
先ず図８は、予め出力条件１にてレーザ発振を行ってから、発振閾値Ｅctを上回る、測定すべき励起エネルギー注入量Ｅ0（出力条件２）を一定時間保持し、最後にレーザ出力の測定を行い、係数決定操作を実施することを示している。一方図９は、予め出力条件１にてレーザ発振を行ってから、発振閾値Ｅctを若干下回る励起エネルギー注入量（出力条件２’）を一定時間保持し、その後、発振閾値Ｅctを上回る２点の励起エネルギー注入量（Ｅ1、Ｅ0）を指定する出力条件３、４にてそれぞれレーザ出力の測定を行い、係数決定操作を実施することを示している。
【００４８】
また本発明では、複数のレーザ出力指令条件においてレーザ出力の補正を行うレーザ装置において、低いレーザ出力指令条件のときにのみ、補正用のレーザ出力指令とは異なるレーザ出力指令条件にてレーザ出力を行った後、レーザ出力の補正を行うこともできる。一般に、高出力でのレーザ出力は、高出力レーザであれば早くに安定し、またパワーモニタも高出力測定用のものが選択されているので、高出力でのレーザ出力については精確な補正が可能である。しかし、高出力レーザにおいて、発振閾値に近い低出力での係数決定操作については、レーザの状態も安定せず、パワーモニタの測定値も誤差を含み易い。そこで、そのような低出力での補正のみについて本発明を適用することにより、補正操作にかかる時間およびコストを低減することができる。
【００４９】
ところで、発振閾値付近の微小なレーザ出力を得るのに相当するエネルギー注入量を求めることは、微小なレーザ出力での出力補正を行う上で重要なことであるが、以下のような困難を伴う。図６における特性曲線４４においては、励起エネルギー注入量Ｅ0にて、発振閾値に近い微小なレーザ出力Ｐ0を得ることができる（Ｃ点）。ところが、出力特性が特性曲線４６に変化した場合は、Ｅ0に相当するレーザ出力はゼロとなってしまう。そこで、エネルギー注入量を変化させて、レーザ出力ゼロに相当する励起エネルギー注入量Ｅct’を簡単に求めることができれば問題はないが、試行錯誤では多大な時間を費やしてしまう。一方、励起エネルギー注入量を漸増又は漸減させる方法もあるが、これでは、レーザ出力の測定開始からＥct’に相当するエネルギー注入量を得るまでの時間がまちまちとなり、本発明が意図するところの、一定の温度履歴の中でのレーザ出力測定を実現することができない。
【００５０】
そこで、本発明では、複数のレーザ出力指令条件においてレーザ出力を測定し、得るべき最も低いレーザ出力となる出力条件は、他のレーザ出力指令条件での出力測定結果より算出するようにした。例えば、図６（ｂ）に示すように、レーザ出力特性が曲線４４から曲線４６に変化したときにまず、特性曲線４４においてレーザ出力Ｐ1（Ｄ点）が得られる励起エネルギーでのレーザ出力を測定する。特性曲線４６によれば、レーザ出力Ｐ1’（Ｆ点）が得られる。同様に、図６（ａ）に示すように、特性曲線４６における、特性曲線４４においてレーザ出力Ｐ2が得られる励起エネルギーでのレーザ出力Ｐ2’が得られる。Ｐ1’とＰ2’から、特性曲線４６の発振閾値近傍の励起エネルギーに対するレーザ出力の傾きが得られる。そこで、Ｆ点からＧ点を計算すれば、特性曲線４６において出力Ｐ0に相当する励起エネルギーＥ0’を求めることができる。換言すれば、励起エネルギーＥ0’においてレーザ出力を測定すれば、ほぼＰ0に近いレーザ出力を１回の測定で得ることができ、精確な出力補正係数を求めることができる。
【００５１】
或いは、本発明では、過去の出力補正時に取得したデータおよびそこから計算で得られた数値を用いて、補正時に用いる最も低いレーザ出力となる出力条件、例えば励起エネルギー指令値を、予め計算で求めることもできる。図６（ｂ）において、特性曲線４４又は４６の傾きは、一般的には複数の測定点から求める必要がある。特性が曲線４４から４６に変化する場合、励起エネルギーＥctおよびＥct’（すなわちＸ切片）が移動すると同時に、厳密には曲線の傾きも変化する。しかし、傾きの変化は、少なくとも発振閾値近傍であるＰ0からＰ1の範囲においては、Ｘ切片の移動と比較して、励起エネルギーとレーザ出力との関係に与える影響は小さい。
【００５２】
そこで、過去の係数決定操作時に特性曲線４６において、Ｆ点からＧ点を算出する際に、変化前の特性曲線４４におけるＣＤ間の傾きを算出に用いることができる。つまり、以前の特性曲線における傾きを記憶しておき、係数決定操作時にこの傾きを用いてＥ0’を算出する。このようにすることで、発振閾値近傍の微小なレーザ出力での係数決定操作については、測定点を２点で済ますことができる。
【００５３】
なお図９に示した例において、出力条件３にて測定されたレーザ出力値と、過去の係数決定操作時の測定、計算された特性曲線の傾きから出力条件４を求めてレーザを出力させた上で、発振閾値に程近い微小なレーザ出力での係数決定操作を行うことができる。
【００５４】
レーザ発振するかしないかの小さなレーザ出力においては、出力の高い他の補正点を測定してから、レーザ出力条件を予め算出して補正を行うことが考えられるが、暖機運転を行った後に測定した出力が意図したレーザ出力近辺の値とはならなかったとき、そのような低出力での補正は精確なものではなくなってしまう。ここで、再測定する場合は暖機運転から始めないと、精確な出力測定ができない。そこで、非常に小さなレーザ出力の測定においては、予め測定した比較的大きな出力測定の結果から予想できるレーザ出力条件を算出した上で、補正を実施する。このようにすることにより、必要最小限の時間で精確な低出力での補正を行うことができる。
【００５５】
以上、レーザ出力条件が連続出力であることを前提に説明したが、一般のレーザ装置においては、周波数が１Ｈｚから１０ＫＨｚ程度のパルスを出力して、パルス波形に対応したレーザ出力を行うことが多い。この場合、出力条件として、パルス周波数、パルスデューティ、単位時間当たりのパルス数、パルスオンタイム及びパルスオフタイムなどの条件も付加される。また、レーザ出力条件として数千Ｗというようなレーザ出力に代えて、放電電流値や励起光量などのレーザ光以外の物理量を用いることもできる。さらには、レーザ出力、放電電流値、励起光量などの操作物理量を、例えば式（４）のΔＥctで表すようにオフセット部を別に指定したり、さらにこのオフセット部を固定部分と可変部分とに分けて指定したりするということもレーザ出力条件に含むものとする。また、レーザ出力の測定値としては、時間平均されたエネルギーや、１パルス当りの熱量や尖頭値を用いることがある。
【００５６】
また、図８および図９において、出力補正の前後（出力条件１の前、出力条件２又は４の後）においても発振閾値以下の励起エネルギーが供給されているが、これは多くのレーザ装置で採用されているものであって、予備放電又はシマー放電と称されるものに該当し、レーザ出力指令時に迅速かつ安定した立ち上がりを実現する効果がある。そして、図９においては、出力条件２’においてレーザ発振閾値Ｅctを若干下回るエネルギーを供給することにより、効果的な冷却を行いつつ、一部のレーザ装置の構成要素が過度に冷却されることを防止している。また、発振閾値Ｅctやシマー放電の放電電流値を変化させた出力指令を行い、補正に用いるレーザ出力値を測定することもできる。
【符号の説明】
【００５７】
１０、１０’ レーザ装置
１２ レーザパワーモニタ
１４ レーザ電源
１６、１６’ レーザ制御装置
１８ レーザ出力指令部
２０ 励起エネルギー指令部
２４、２４’ 出力補正部
３２ ビームアブソーバ
３４ シャッタ
３６ パワーモニタ値変換部
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ装置に関し、特には、レーザ出力をより精確に補正できる高出力のレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工などの目的で使用されるレーザ装置においては、所定の加工性能を得るためにレーザ出力を補正する必要がある場合が多い。例えば特許文献１には、レーザ発振器又はレーザ応用装置の所定箇所の測定温度が一定の温度範囲内になるようにレーザ発振器を暖機又は冷却をした上で、レーザ出力指令値を補正する補正係数を決定するレーザ装置が開示されている。
【０００３】
また特許文献２には、実際のレーザ運転前に予め、レーザ電源に対して複数の指令電圧を異なるレベルでランダムに与えることにより、指令電圧値または指令電流値とレーザ光のエネルギー値との関係を示すデータテーブルを作成し、実際のレーザ運転時には、出力指令値に対応する指令電圧または指令電流を該データテーブルから読み出して、レーザ電源に対して出力する手段を備えたレーザ出力制御装置が開示されている。
【０００４】
さらに特許文献３には、連続発振開始毎に少なくとも最初の発振のレーザ光のエネルギーとレーザ励起強度に関連した情報を記憶手段に記憶し、発振休止後次回の連続発振開始時のレーザ励起強度を決定する際に、この記憶されていた前回の連続発振時の最初の発振のレーザ光のエネルギーとレーザ励起強度に関連した情報を用いることにより、発振開始直後から目標エネルギー設定値に対するレーザエネルギーのずれ量を補正し、レーザ出力を一定にすることができる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２５１８５５号公報
【特許文献２】特開平９−１０７１４６号公報
【特許文献３】特開平６−６１５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レーザ装置において、指令値に合致したレーザ出力を得る方法として、フィードバック制御を用いる方法がある。但しフィードバック制御には、レーザパワーモニタなどの、レーザ出力を迅速かつ精確に測定する手段が不可欠である。但しレーザパワーモニタは波長帯によっては高価で信頼性に欠けるため、検出周期の遅いパワーモニタが用いられる場合がある。このような場合、精度の高いフィードバック制御を行うことはできず、代わりにオープンループ制御又はフィードフォワード制御を組み合わせたフィードバック制御を用いて、指令値に合致したレーザ出力を得る方法が採用されることが多い。そしてこれらの場合、予め出力指令に対する実際のレーザ出力を予測するために、何らかの係数を求めるためのレーザ出力の補正を要する。
【０００７】
また、レーザは定格出力を出力できるように設計されているため、小さな出力では変動の割合が大きくなる。併せて、レーザパワーモニタについても、定格出力を精確に測定するように設計されているため、小さな出力では相対的に誤差が大きくなる。また当該変動や誤差はレーザ装置の内外の環境要因に大きく左右されるので、精確な出力補正は難しい。
【０００８】
さらには、レーザおよびレーザパワーモニタは様々な因子の影響を受けるため、小さなレーザの出力およびその測定は、測定時に至る温度変化の履歴にも左右される。すなわち、レーザおよびパワーモニタの内外の数箇所の温度が以前の測定時と同一であっても、必ずしも同じ測定結果とはならない。
【０００９】
そこで本発明は、レーザ装置の内外の環境要因に大きく左右されるレーザおよびレーザパワーモニタを備えたレーザ装置であっても、該環境要因の影響を効果的に減じて、定格出力から低出力まで、精確にレーザ出力を補正できる高出力レーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、所定のプログラムまたは操作者の入力に基づいてレーザ出力指令を作成するレーザ出力指令部と、前記レーザ出力指令に基づいてレーザ電源に送られる励起エネルギー指令を作成する励起エネルギー指令部と、前記レーザ電源が出力した励起エネルギーにより得られるレーザ出力を測定するレーザパワーモニタと、前記レーザパワーモニタにより測定されたレーザ出力と前記レーザ出力指令に含まれる指令出力とが合致するように、前記指令出力を補正するための補正係数を決定する出力補正部と、を備えるレーザ装置であって、補正係数決定のためのレーザ出力指令とは異なる、予め設定された単一または複数のレーザ出力指令条件および継続時間にて予備レーザ出力を行う手段と、所定時間後に補正係数決定のためのレーザ出力指令条件および継続時間にて補正用レーザ出力を行う手段と、をさらに備え、前記出力補正部は、前記予備レーザ出力および前記補正用レーザ出力の測定結果に基づいて補正係数を決定することを特徴とするレーザ装置を提供する。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ装置において、前記予備レーザ出力のレーザ出力は、出力値の異なる複数のレーザ出力指令によって出力され、前記出力値の異なる複数のレーザ出力指令は、出力値の高いレーザ出力から出力値の低いレーザ出力の順にレーザ出力を行う指令を含むことを特徴とするレーザ装置を提供する。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ装置において、前記出力補正部は、複数のレーザ出力指令条件におけるレーザ出力の測定結果に基づいてレーザ出力指令の補正を行うものであり、かつ、予め定めた値より低いレーザ出力指令条件のときのみ、前記出力補正部が前記レーザパワーモニタにより測定されたレーザ出力と指令出力とが合致するように前記指令出力を補正することを特徴とするレーザ装置を提供する。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ装置において、前記出力補正部は、複数のレーザ出力指令条件におけるレーザ出力の測定結果に基づいてレーザ出力指令の補正を行うものであり、かつ、最も低いレーザ出力指令条件を、他のレーザ出力指令条件での出力測定結果より算出することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置において、レーザ装置を提供する。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ装置において、前記出力補正部は、複数のレーザ出力指令条件におけるレーザ出力の測定結果に基づいてレーザ出力指令の補正を行うものであり、かつ、最も低いレーザ出力指令条件を、他のレーザ出力指令条件および予め記憶されている過去の出力補正における測定結果より算出することを特徴とするレーザ装置を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、補正用のレーザ出力指令とは異なるレーザ出力指令条件にて事前にレーザ出力を一定の順序に従って行うことにより、レーザの出力特性およびレーザパワーモニタの測定特性が安定し、精確な出力補正が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ装置の概略構成を示す図である。
【図２】指令出力と励起エネルギーの関係を示すグラフである。
【図３】励起エネルギーとレーザ出力の関係を示すグラフである。
【図４】指令出力とレーザ出力の関係を示すグラフである。
【図５】指令出力とレーザ出力の関係を示すグラフであって、レーザ出力の補正例を説明するグラフである。
【図６】（ａ）励起エネルギーとレーザ出力の関係を示すとともに、レーザ出力の補正例を説明するグラフであり、（ｂ）（ａ）の部分拡大図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るレーザ装置の概略構成を示す図である。
【図８】レーザ出力の補正操作を実行するにあたり、その前に補正用のレーザ出力指令とは異なるレーザ出力指令条件を定められた順序にて順次レーザ出力を行う様子を示したグラフである。
【図９】図８とは異なる出力指令条件にて順次レーザ出力を行う様子を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明に係るレーザ装置の概略構成を示す図である。レーザ装置１０は、レーザ出力値を測定するレーザパワーモニタ１２と、該レーザパワーモニタ１２により測定されたレーザ出力測定値とレーザ出力指令値とが合致するように、レーザ電源１４への励起エネルギー注入量を補正する出力補正機能を備えたレーザ制御装置１６とを有する。
【００１８】
レーザ制御装置１６は、ＮＣプログラムなどの所定のプログラム又は操作員からの直接入力を解読してレーザ出力指令を作成するレーザ出力指令部１８を有し、該レーザ出力指令は、製造直後などの補正する必要がない場合は、励起エネルギー指令部２０において電力、電圧又は光量などの励起エネルギー指令値に換算され、レーザ電源１４に指令される。レーザ電源１４は、該励起エネルギー指令値に従って、放電又は励起光といったエネルギーを放電管２２内のレーザガスなどのレーザ媒体に与え、レーザ発振を起こす。一方、レーザ出力指令を補正する必要がある場合はレーザ制御装置１６の出力補正部２４がレーザ出力指令を補正するが、これについては後述する。
【００１９】
放電管２２の各端には、全反射鏡であるリア鏡２６及び部分反射鏡である出力鏡２８が配置されており、これらの鏡と放電管２２とにより光共振器が構成される。放電管２２にレーザ電源１４より高周波電力が供給されると、放電管内のレーザガスが放電により励起され、光共振器において光が発生する。その光はリア鏡２６と出力鏡２８との間で反射を繰り返しながら、誘導放出により増幅され、その一部は出力鏡２８からレーザ光として外部へ取り出される。
【００２０】
出力鏡２８から出力されたレーザ光の一部は、該レーザ光の光路上に配置された部分透過鏡３０を透過し、上述のレーザパワーモニタ１２によって測定される。外部にレーザ出力されるレーザ光に対する、レーザパワーモニタ１２で測定に使用されるエネルギーの割合は０．１〜０．５%程度である。部分透過鏡３０で反射されたレーザ光は発振器の外に出射され、様々なアプリケーションに使用されるが、部分透過鏡３０で反射されたレーザ光を遮断又はビームアブソーバ３２に向けて反射可能に構成されたシャッタ３４を設け、該シャッタ３４によってレーザ光が発振器の外に漏れないようにすることも可能である。なお、リア鏡２６を部分透過鏡として、図１における部分透過鏡の機能も持たせ、レーザパワーモニタ１２をリア鏡２６の背後に配置する構成も可能である。
【００２１】
レーザパワーモニタ１２からのレーザ出力測定値がアナログ値の場合は、レーザ制御装置１６は、該レーザ出力測定値をアナログ信号値に変換するパワーモニタ値換算部（換算器）３６を有する。パワーモニタ値換算器３６は、レーザパワーモニタ１２からの出力値（アナログ信号）をＡ／Ｄ変換した上で、ゼロ点を補正し所定の倍率を乗じて、正しいレーザ出力値としてレーザ制御装置１６が扱える情報にする。
【００２２】
次に図２〜図４を参照して、出力指令に含まれる指令出力、励起エネルギー及びレーザ出力の関係を説明する。図２において曲線状の換算関数で示されるように、指令出力が与えられると、上述の励起エネルギー指令部２０が、該指令出力に相当する励起エネルギー量を算出する。図３はレーザ出力特性を示しており、レーザ電源１４から励起エネルギーが与えられると、それに応じてレーザ出力が得られる。ここで図２における換算関数の曲線が、図３におけるレーザ出力特性の逆関数となっていれば、図４に示す如く、指令出力に比例した好ましいレーザ出力が得られる。しかし一般的に、レーザ装置の環境やレーザ装置の構成部品の経年変化などにより、図３におけるレーザ出力特性は変化する。
【００２３】
これに対処する方法は幾つか考えられ、その一つはフィードバック制御を採用することであるが、このためには、精確で迅速なレーザ出力の測定が可能なレーザパワーモニタが不可欠である。ただし、このようなレーザパワーモニタは波長帯によっては高価であり、信頼性に欠ける場合もある。そこで、検出周期の遅いパワーモニタを用いることが考えられるが、その場合には、精度の高いフィードバック制御を行うことはできなくなるので、代わりにオープンループ制御、又はフィードフォワード制御を併用したフィードバック制御を用いて、指令どおりのレーザ出力を得る方法が採用されることが多い。このとき、図２〜図４で示した関数を、その時々に応じて補正すれば、レーザ出力の精度を高めることができる。
【００２４】
例えば、図４に示す指令出力とレーザ出力との関係が、図５に示すように、特性曲線４０から特性曲線４２に変化したとする。この場合に、Ｐc4に相当する指令出力が与えられると、レーザ出力Ｐ4（特性曲線４０のＡ点）が得られるべきところが、Ｐ4より大きいレーザ出力Ｐ4’（特性曲線４２のＢ点）が得られてしまう。このとき、Ａ点とＢ点のレーザ出力の比、すなわちＰ4／Ｐ4’をＰc4に乗じてＰc4’を得て、該Ｐc4’を指令出力とすることにより、概略、出力Ｐ4を得ることができる。
【００２５】
上述のような補正に用いる点を、例えば４つ（Ｐ1〜Ｐ4）に増やすことで、より精確なレーザ出力を得ることができる。さらに、レーザ出力が０Ｗ近傍のＰ0における補正は、微小なレーザ出力での精度を高めることができる。
【００２６】
また、図３の励起エネルギーとレーザ出力の関係を表す特性曲線を補正することができれば、図２の指令出力と励起エネルギー指令値の関係曲線はその逆関数であるから、図４に示すようにレーザ出力指令値とレーザ出力とを合致させる（Ｐc＝Ｐa）ことができる。そのような考え方の具体例を示したものが図６である。図６（ａ）は、特性曲線が４４から４６に変化したときに、Ｅ1からＥ4の励起エネルギー注入量に対して、Ｐ1からＰ4のレーザ出力が得られていたところが、それぞれ変化する状態を示している。ここで、レーザ装置による運転に先立ち予めＥ1からＥ4の励起エネルギーに対するレーザ出力値を測定して、該測定値に基づき、曲線４４で表される本来の出力特性のときに得られていた出力に応じてエネルギー注入量を補正しておけば、レーザ装置の運転時には出力指令値に概略合致するレーザ出力が得られる。
【００２７】
図６の特性曲線において、出力補正を考える場合においても、発振閾値に近いＰ0となる例えばＥ0のようなエネルギー注入量（図６（ｂ）参照）を求めておくことは、精確な微小なレーザ出力を得るために有効である。そして、補正を行う計算式としては、例えば、元の特性曲線４４を以下の式（１）で表すとき、補正後の特性曲線４６は、以下の式（２）によって計算することができる。
Ｐa ＝ ｆ(Ｅc) ＋ Ｅct （１）
Ｐa ＝ ｋ×ｆ(Ｅc) ＋ Ｅct' （２）
【００２８】
ここで、ｆは、ＥcからＰaを求めるための関数であり、出力特性表として励起エネルギー指令手段に格納されたパラメータから補間計算するなどして求めることができる。またＥctは、図で示すように発振閾値に相当するＥc（励起エネルギー指令値）である。なおｋは補正係数であるが、複数の出力に基づいて補正を行う場合は、それぞれの区間によって、ｋ12, ｋ23 .. のように複数の補正係数を用いることもできる。
【００２９】
ここで、ＥctやＥct'を精確に求めることは困難な場合があるので、元の特性曲線４４を次式（３）で表し、補正後の特性曲線４６を式（４）によって計算することもできる。
Ｐa ＝ ｆ(Ｅc) （３）
Ｐa ＝ ｋ×ｆ(Ｅc) ＋ ΔＥct （４）
【００３０】
ここで、ΔＥctは次式（５）によって求められるが、図６（ａ）の発振閾値付近を拡大した図６（ｂ）からわかるように、ΔＥctは（Ｅ0'−Ｅ0）で近似することができるので、式（４）は式（６）のようなより実用的な式に変更してもよい。このように、ΔＥctも補正係数の一つと考えることができる。
ΔＥct ＝ Ｅct' − Ｅct （５）
Ｐa ＝ ｋ×ｆ(Ｅc) ＋ （Ｅ0'−Ｅ0） （６）
【００３１】
上述のようにレーザ出力特性の変化に応じて出力補正を行うことは非常に有効であり、このことは、フィードバックを用いない制御では出力指令値又は励起エネルギー注入量に対する補正係数を算出することになり、フィードフォワード制御を併用するフィードバック制御ではフィードフォワード量の増減に関する係数を求めることになり、ＰＩ制御であれば積分器に指令出力に応じて与えるプリセット値を計算するための要素となる値を求めることになる。
【００３２】
上述のような補正係数を求める操作（以降、係数決定操作と称する）は、例えばレーザ装置を運転してレーザ加工などを行う前の予備操作として行われる。以下、図１のレーザ装置において係数決定操作がどのように行われるかを説明する。
【００３３】
図１において、レーザ装置１０を運転してレーザを出力するときは、シャッタ３４を開いてレーザ光線を外部に出射するが、係数決定操作を行うときは、シャッタ３４を閉じて外部にレーザは出射せずにビームアブソーバ３２にレーザ出力する。ビームアブソーバ３２はレーザビームをほぼ１００％吸収し熱に変える働きをする。
【００３４】
レーザ出力指令部１８は指令出力を含む出力指令を作成するが、同時に補正命令を出力補正部２４に出力する。補正命令は幾つかの信号を含んでおり、これらの信号には、レーザ装置１０が外部にレーザ出力を行う運転時に指令出力について補正計算を行って励起エネルギー指令部２０に対する指令出力に対して補正係数を用いた演算を施すための信号や、係数決定操作の実行を指令する信号などが含まれる。またレーザ出力指令部１８は、後述する予備レーザ出力や補正用レーザ出力を行うための指令も作成することができる。
【００３５】
係数決定操作は、例えば以下のような手順で実行される。まず、操作員からの直接入力又は予め用意されたＮＣプログラムによる指示により、レーザ出力を補正するための補正係数を求めるシーケンスが起動される。レーザ出力指令部１８は、定められた指令出力を含む出力指令を出力補正部２４に出力すると同時に、補正命令として、補正係数を求める指令を出力補正部２４に出力する。出力補正部２４は、レーザ出力指令部１８からの指令に従い、レーザ出力が安定するまで一定時間又は出力の変動が小さくなるまで、励起エネルギー指令部２０に、指令出力を含む出力指令を送る。このときは、運転時と異なり指令出力には補正係数を乗じないものとする。
【００３６】
励起エネルギー指令部２０は、出力補正部からの指令出力に応じた励起エネルギー指令値をレーザ電源１４に指令する。レーザ電源１４はこれに応じて、出力鏡２８とリア鏡２６との間のレーザ媒体にエネルギーを注入する。注入されたエネルギーにより励起されたレーザ媒体は、発光を始め、この光はリア鏡２６と出力鏡２８で発振・増幅され、部分透過鏡である出力鏡２８からレーザビームが出射される。これはパワーモニタ１２で測定され、測定されたレーザ出力値は出力補正部２４にて、指令出力と比較される。レーザ出力値と指令出力が合致していれば補正係数は１になるが、合致してなければ出力補正部２４に格納されている計算式にしたがって補正係数が算出される。
【００３７】
算出された補正係数は出力補正部２４に記憶される。前述のように補正係数は一つとは限らず、何点かの出力に応じて複数用意される場合もある。なおこの間、シャッタ３４は閉じられ、レーザ出力はビームアブソーバ３２で吸収されるので、外部にレーザが出力されることはない。
【００３８】
次に、レーザ装置１０を運転してレーザ加工などを行う場合、レーザ出力指令部１８は出力補正部２４に対して、指令出力に補正係数を用いて演算を行う指示を出すとともに、出力指令を送る。出力補正部２４は、指令出力と補正係数から計算された結果を励起エネルギー指令部２０に送る。このようにすると、出力されたレーザのレーザ出力値は概略指令出力と合致するものになる。
【００３９】
なお、複数の出力にて補正を行う場合、補正に用いられる出力以外の指令出力については、補正係数を補間演算する。こうして、あらゆる指令出力も適切に処理することが可能となる。
【００４０】
図７は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ装置１０’を示す図であり、図６に示すような励起エネルギー指令量に対して補正を行う場合の構成例を示している。なお図１の形態と同等の機能を有する構成要素には同じ参照符号を付し、詳細な説明は省略する。またレーザ電源やパワーモニタなどのレーザ制御装置１６’以外の部分も図１と同等でよいので、図示は省略する。
【００４１】
レーザ制御装置１６’において、係数決定操作の実行が補正命令として与えられると、一つまたは複数の励起エネルギーに対し順次、実際のレーザ出力値が測定される。実際には励起エネルギー指令値は指令出力値として与えられるので、図７に示す第２の実施形態では、励起エネルギー指令値と、パワーモニタで測定されたレーザ出力値とを出力補正部２４’で比較することにより、励起エネルギーについての補正係数が求まる。レーザ装置１０’を運転する際は、励起エネルギー指令値に補正係数を乗ずることにより、指令出力とレーザ出力値が概略一致する。
【００４２】
従来は、係数決定操作を行うにあたって、出力指令条件を一定に保ち、これを一定時間保持して安定させた後、又は、レーザ出力もしくはレーザ装置内の温度の変化が所定の範囲内に収まるまで待った後に、補正に用いるレーザ出力値を得ていた。これに対して本発明は、補正用のレーザ出力指令とは異なるレーザ出力指令条件を定められた順序にて順次レーザ出力を行い、その後、レーザ出力を補正するためのレーザ出力を行ってこれを測定し、このレーザ出力測定値に基づいてレーザ出力の補正を行うことを特徴とする。なお補正用のレーザ出力指令とは異なるレーザ出力指令条件と、その出力順序は、出力補正部もしくはレーザ出力指令部に格納されていてもよいし、又は、ＮＣプログラム等によって外部から与えられてもよい。
【００４３】
従来の方法は、係数決定操作に先立つレーザ装置の運転の履歴の影響を受けてしまう。具体的には、レーザ装置が立上げ直後なのか否か、或いは又はこれに加え、立上げ時のレーザ装置内外の温度状況などの要因により、求められた出力補正係数は影響を受け異なったものになる虞があるからである。殊に、レーザ発振するかしないかの発振閾値に近い微小なレーザ出力はその影響を大きく受けやすい。これに対し本発明では、補正用のレーザ出力指令とは異なるレーザ出力指令条件にて事前にレーザ出力を一定の順序に従って行うので、レーザの出力特性およびレーザパワーモニタの測定特性が安定し、発振閾値に近い微小なレーザ出力においても精確な出力補正が可能となる。
【００４４】
さらに、本発明では、高い出力指令に続いて低い出力指令を行って、レーザ装置の暖機運転を行った後、レーザの係数決定操作を行うことができる。レーザ出力はレーザ装置に注入されるエネルギーの数％から多くても３０％であるため、余分なエネルギーは熱として除去されるが、あるレーザ出力指令があったときにレーザ装置を構成する多くの部品が定常の温度状態に達するには、レーザ装置の各々の構成要素について、入熱量、除去される熱量および内部の温度状態が平衡状態となる必要があり、これには長い時間がかかる。そこで、高出力で迅速にレーザ装置を暖機した後、低出力でレーザ装置およびパワーモニタの過剰な熱を除去することにより、迅速かつ精確な係数決定操作が可能となる。
【００４５】
一般に、パワーモニタのような高感度のセンサ類は、レーザ装置内が高温になると安定的に精確な測定ができなくなる傾向がある。殊に、発振閾値に近い微小なレーザ出力を測定しようとする場合は、高出力でのレーザ発振を停止した直後もレーザ装置内は高温であるので、パワーモニタは一定温度まで冷却しなければ正常な値を出力しない。一方で、容積の大きい部品では、レーザ装置の立上げ後からその温度が安定するまでに、かなりの時間を要するものがある。このような部品については、レーザ出力が高い場合は比較的早く温度が定常状態となるが、レーザ装置の立上げ直後に発振閾値に近い微小な出力で測定を行おうとすると、レーザ装置が温度的な定常状態に達するまで多大な時間を要する。そこで、上述のように一旦、高出力で加熱後、冷却時間をおいて係数決定操作を実行することが極めて有効である。すなわち、高出力で迅速に暖機した後、低い出力でレーザおよびパワーモニタの過剰な熱を除去して安定した状態にすることにより、温度などのパラメータの繰り返し性がよくなり、早くて正確なレーザ出力補正が可能となる。
【００４６】
図８および図９はその具体例を示すものであり、補正係数決定用のレーザ出力指令により得られる補正用レーザ出力に基づいて補正係数決定操作を実行するにあたり、その前に補正係数決定用のレーザ出力指令とは異なる、予め設定された単一または複数のレーザ出力指令条件および継続時間にて、予め定められた順序で順次レーザ出力（これを予備レーザ出力とも称する）を行う様子を示したものである。
【００４７】
先ず図８は、予め出力条件１にてレーザ発振を行ってから、発振閾値Ｅctを上回る、測定すべき励起エネルギー注入量Ｅ0（出力条件２）を一定時間保持し、最後にレーザ出力の測定を行い、係数決定操作を実施することを示している。一方図９は、予め出力条件１にてレーザ発振を行ってから、発振閾値Ｅctを若干下回る励起エネルギー注入量（出力条件２’）を一定時間保持し、その後、発振閾値Ｅctを上回る２点の励起エネルギー注入量（Ｅ1、Ｅ0）を指定する出力条件３、４にてそれぞれレーザ出力の測定を行い、係数決定操作を実施することを示している。
【００４８】
また本発明では、複数のレーザ出力指令条件においてレーザ出力の補正を行うレーザ装置において、低いレーザ出力指令条件のときにのみ、補正用のレーザ出力指令とは異なるレーザ出力指令条件にてレーザ出力を行った後、レーザ出力の補正を行うこともできる。一般に、高出力でのレーザ出力は、高出力レーザであれば早くに安定し、またパワーモニタも高出力測定用のものが選択されているので、高出力でのレーザ出力については精確な補正が可能である。しかし、高出力レーザにおいて、発振閾値に近い低出力での係数決定操作については、レーザの状態も安定せず、パワーモニタの測定値も誤差を含み易い。そこで、そのような低出力での補正のみについて本発明を適用することにより、補正操作にかかる時間およびコストを低減することができる。
【００４９】
ところで、発振閾値付近の微小なレーザ出力を得るのに相当するエネルギー注入量を求めることは、微小なレーザ出力での出力補正を行う上で重要なことであるが、以下のような困難を伴う。図６における特性曲線４４においては、励起エネルギー注入量Ｅ0にて、発振閾値に近い微小なレーザ出力Ｐ0を得ることができる（Ｃ点）。ところが、出力特性が特性曲線４６に変化した場合は、Ｅ0に相当するレーザ出力はゼロとなってしまう。そこで、エネルギー注入量を変化させて、レーザ出力ゼロに相当する励起エネルギー注入量Ｅct’を簡単に求めることができれば問題はないが、試行錯誤では多大な時間を費やしてしまう。一方、励起エネルギー注入量を漸増又は漸減させる方法もあるが、これでは、レーザ出力の測定開始からＥct’に相当するエネルギー注入量を得るまでの時間がまちまちとなり、本発明が意図するところの、一定の温度履歴の中でのレーザ出力測定を実現することができない。
【００５０】
そこで、本発明では、複数のレーザ出力指令条件においてレーザ出力を測定し、得るべき最も低いレーザ出力となる出力条件は、他のレーザ出力指令条件での出力測定結果より算出するようにした。例えば、図６（ｂ）に示すように、レーザ出力特性が曲線４４から曲線４６に変化したときにまず、特性曲線４４においてレーザ出力Ｐ1（Ｄ点）が得られる励起エネルギーでのレーザ出力を測定する。特性曲線４６によれば、レーザ出力Ｐ1’（Ｆ点）が得られる。同様に、図６（ａ）に示すように、特性曲線４６における、特性曲線４４においてレーザ出力Ｐ2が得られる励起エネルギーでのレーザ出力Ｐ2’が得られる。Ｐ1’とＰ2’から、特性曲線４６の発振閾値近傍の励起エネルギーに対するレーザ出力の傾きが得られる。そこで、Ｆ点からＧ点を計算すれば、特性曲線４６において出力Ｐ0に相当する励起エネルギーＥ0’を求めることができる。換言すれば、励起エネルギーＥ0’においてレーザ出力を測定すれば、ほぼＰ0に近いレーザ出力を１回の測定で得ることができ、精確な出力補正係数を求めることができる。
【００５１】
或いは、本発明では、過去の出力補正時に取得したデータおよびそこから計算で得られた数値を用いて、補正時に用いる最も低いレーザ出力となる出力条件、例えば励起エネルギー指令値を、予め計算で求めることもできる。図６（ｂ）において、特性曲線４４又は４６の傾きは、一般的には複数の測定点から求める必要がある。特性が曲線４４から４６に変化する場合、励起エネルギーＥctおよびＥct’（すなわちＸ切片）が移動すると同時に、厳密には曲線の傾きも変化する。しかし、傾きの変化は、少なくとも発振閾値近傍であるＰ0からＰ1の範囲においては、Ｘ切片の移動と比較して、励起エネルギーとレーザ出力との関係に与える影響は小さい。
【００５２】
そこで、過去の係数決定操作時に特性曲線４６において、Ｆ点からＧ点を算出する際に、変化前の特性曲線４４におけるＣＤ間の傾きを算出に用いることができる。つまり、以前の特性曲線における傾きを記憶しておき、係数決定操作時にこの傾きを用いてＥ0’を算出する。このようにすることで、発振閾値近傍の微小なレーザ出力での係数決定操作については、測定点を２点で済ますことができる。
【００５３】
なお図９に示した例において、出力条件３にて測定されたレーザ出力値と、過去の係数決定操作時の測定、計算された特性曲線の傾きから出力条件４を求めてレーザを出力させた上で、発振閾値に程近い微小なレーザ出力での係数決定操作を行うことができる。
【００５４】
レーザ発振するかしないかの小さなレーザ出力においては、出力の高い他の補正点を測定してから、レーザ出力条件を予め算出して補正を行うことが考えられるが、暖機運転を行った後に測定した出力が意図したレーザ出力近辺の値とはならなかったとき、そのような低出力での補正は精確なものではなくなってしまう。ここで、再測定する場合は暖機運転から始めないと、精確な出力測定ができない。そこで、非常に小さなレーザ出力の測定においては、予め測定した比較的大きな出力測定の結果から予想できるレーザ出力条件を算出した上で、補正を実施する。このようにすることにより、必要最小限の時間で精確な低出力での補正を行うことができる。
【００５５】
以上、レーザ出力条件が連続出力であることを前提に説明したが、一般のレーザ装置においては、周波数が１Ｈｚから１０ＫＨｚ程度のパルスを出力して、パルス波形に対応したレーザ出力を行うことが多い。この場合、出力条件として、パルス周波数、パルスデューティ、単位時間当たりのパルス数、パルスオンタイム及びパルスオフタイムなどの条件も付加される。また、レーザ出力条件として数千Ｗというようなレーザ出力に代えて、放電電流値や励起光量などのレーザ光以外の物理量を用いることもできる。さらには、レーザ出力、放電電流値、励起光量などの操作物理量を、例えば式（４）のΔＥctで表すようにオフセット部を別に指定したり、さらにこのオフセット部を固定部分と可変部分とに分けて指定したりするということもレーザ出力条件に含むものとする。また、レーザ出力の測定値としては、時間平均されたエネルギーや、１パルス当りの熱量や尖頭値を用いることがある。
【００５６】
また、図８および図９において、出力補正の前後（出力条件１の前、出力条件２又は４の後）においても発振閾値以下の励起エネルギーが供給されているが、これは多くのレーザ装置で採用されているものであって、予備放電又はシマー放電と称されるものに該当し、レーザ出力指令時に迅速かつ安定した立ち上がりを実現する効果がある。そして、図９においては、出力条件２’においてレーザ発振閾値Ｅctを若干下回るエネルギーを供給することにより、効果的な冷却を行いつつ、一部のレーザ装置の構成要素が過度に冷却されることを防止している。また、発振閾値Ｅctやシマー放電の放電電流値を変化させた出力指令を行い、補正に用いるレーザ出力値を測定することもできる。
【符号の説明】
【００５７】
１０、１０’ レーザ装置
１２ レーザパワーモニタ
１４ レーザ電源
１６、１６’ レーザ制御装置
１８ レーザ出力指令部
２０ 励起エネルギー指令部
２４、２４’ 出力補正部
３２ ビームアブソーバ
３４ シャッタ
３６ パワーモニタ値変換部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のプログラムまたは操作者の入力に基づいてレーザ出力指令を作成するレーザ出力指令部と、
前記レーザ出力指令に基づいてレーザ電源に送られる励起エネルギー指令を作成する励起エネルギー指令部と、
前記レーザ電源が出力した励起エネルギーにより得られるレーザ出力を測定するレーザパワーモニタと、
前記レーザパワーモニタにより測定されたレーザ出力と前記レーザ出力指令に含まれる指令出力とが合致するように、前記指令出力を補正するための補正係数を決定する出力補正部と、を備えるレーザ装置であって、
補正係数決定のためのレーザ出力指令とは異なる、予め設定された単一または複数のレーザ出力指令条件および継続時間にて予備レーザ出力を行う手段と、
所定時間後に補正係数決定のためのレーザ出力指令条件および継続時間にて補正用レーザ出力を行う手段と、をさらに備え、
前記出力補正部は、前記予備レーザ出力および前記補正用レーザ出力の測定結果に基づいて補正係数を決定することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記予備レーザ出力のレーザ出力は、出力値の異なる複数のレーザ出力指令によって出力され、
前記出力値の異なる複数のレーザ出力指令は、出力値の高いレーザ出力から出力値の低いレーザ出力の順にレーザ出力を行う指令を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記出力補正部は、複数のレーザ出力指令条件におけるレーザ出力の測定結果に基づいてレーザ出力指令の補正を行うものであり、かつ、予め定めた値より低いレーザ出力指令条件のときのみ、前記出力補正部が前記レーザパワーモニタにより測定されたレーザ出力と指令出力とが合致するように前記指令出力を補正することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記出力補正部は、複数のレーザ出力指令条件におけるレーザ出力の測定結果に基づいてレーザ出力指令の補正を行うものであり、かつ、最も低いレーザ出力指令条件を、他のレーザ出力指令条件での出力測定結果より算出することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記出力補正部は、複数のレーザ出力指令条件におけるレーザ出力の測定結果に基づいてレーザ出力指令の補正を行うものであり、かつ、最も低いレーザ出力指令条件を、他のレーザ出力指令条件および予め記憶されている過去の出力補正における測定結果より算出することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項１】
所定のプログラムまたは操作者の入力に基づいてレーザ出力指令を作成するレーザ出力指令部と、
前記レーザ出力指令に基づいてレーザ電源に送られる励起エネルギー指令を作成する励起エネルギー指令部と、
前記レーザ電源が出力した励起エネルギーにより得られるレーザ出力を測定するレーザパワーモニタと、
前記レーザパワーモニタにより測定されたレーザ出力と前記レーザ出力指令に含まれる指令出力とが合致するように、前記指令出力を補正するための補正係数を決定する出力補正部と、を備えるレーザ装置であって、
補正係数決定のためのレーザ出力指令とは異なる、予め設定された単一または複数のレーザ出力指令条件および継続時間にて予備レーザ出力を行う手段と、
所定時間後に補正係数決定のためのレーザ出力指令条件および継続時間にて補正用レーザ出力を行う手段と、をさらに備え、
前記出力補正部は、前記予備レーザ出力および前記補正用レーザ出力の測定結果に基づいて補正係数を決定することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記予備レーザ出力のレーザ出力は、出力値の異なる複数のレーザ出力指令によって出力され、
前記出力値の異なる複数のレーザ出力指令は、出力値の高いレーザ出力から出力値の低いレーザ出力の順にレーザ出力を行う指令を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記出力補正部は、複数のレーザ出力指令条件におけるレーザ出力の測定結果に基づいてレーザ出力指令の補正を行うものであり、かつ、予め定めた値より低いレーザ出力指令条件のときのみ、前記出力補正部が前記レーザパワーモニタにより測定されたレーザ出力と指令出力とが合致するように前記指令出力を補正することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記出力補正部は、複数のレーザ出力指令条件におけるレーザ出力の測定結果に基づいてレーザ出力指令の補正を行うものであり、かつ、最も低いレーザ出力指令条件を、他のレーザ出力指令条件での出力測定結果より算出することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記出力補正部は、複数のレーザ出力指令条件におけるレーザ出力の測定結果に基づいてレーザ出力指令の補正を行うものであり、かつ、最も低いレーザ出力指令条件を、他のレーザ出力指令条件および予め記憶されている過去の出力補正における測定結果より算出することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１７４７２０（Ｐ２０１２−１７４７２０Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３２１２９（Ｐ２０１１−３２１２９）
【出願日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
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