(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザ共振器と、前記レーザ共振器に電力を供給するスイッチング電源部と、レーザ共振器からのレーザ光照射タイミングを決める照射指令部と、前記照射指令部の出力信号により電流値信号を出力する電流値設定部と、前記スイッチング電源部に入力される電源電圧を検出して比例した信号を出力する電源電圧検出手段と、前記電流値設定部の出力信号のオフからオンの立ち上がりスロープを前記電源電圧検出手段の出力信号が大きいほど前記立ち上がりスロープの時定数を大きくするスロープ演算部と、前記スイッチング電源部からの出力電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部の出力信号と前記スロープ演算部の出力信号を比較する比較制御部を設け、比較制御部の出力信号をスイッチング電源部に入力してフィードバック制御するレーザ発振装置。
【請求項２】
予め前記比較制御部のフィードバック応答性が得られる時間を基準値として設定するオン時間基準値設定部と、電流値設定部の出力信号のオン時間と前記オン時間基準値設定部の基準値とを比較するオン時間比較部を設け、オン時間が基準値よりも大きな場合にスロープ演算部の機能を無効とする請求項１記載のレーザ発振装置。
【請求項３】
予め基準値が設定された電源電圧基準値設定部と、電源電圧検出手段の出力信号と基準値設定部の基準値とを比較する電源電圧比較部と、電源電圧比較部の出力をカウントまたは積分する積分手段と、積分手段の出力が所定値を超えた場合に警報を発生させる警報手段を設けた請求項１または２記載のレーザ発振装置。
【請求項４】
予め基準値が設定された電源電圧基準値設定部と、電源電圧検出手段の出力信号と上記基準値設定部の基準値とを比較する電源電圧比較部と、電源電圧比較部の出力をカウントまたは積分する積分手段と、積分手段の出力が所定値を超えた場合にレーザ発振装置の運転を停止させるインターロック手段を設けた請求項１または２記載のレーザ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザ光の特性を活用する為に、通信、エレクトロニクス、光技術若しくは精密加工等、種々の分野において、レーザ発振装置が利用されている。
【０００３】
この種のレーザ発振装置として、従来、図９のような構成が一般的であった。
【０００４】
以下その構成について図９のブロック図を参照しながら説明する。
【０００５】
レーザ発振器８８では、出力レーザ光を照射するタイミングを決める照射指令部８７の出力信号に基づき電流値設定部８６より電流値指令が出力され、この電流値指令と電流検出部８３の出力信号を比例制御部８５で比較後、スイッチング電源部８４に出力される。上記スイッチング電源部８４では直流高電圧の出力信号に変換され、レーザ共振器８１に電流検出部８３を通じて供給される。一方、上記電流検出部８３の出力信号は比較制御部８５にフィードバックされ、レーザ共振器８１に安定した電流が供給されるようにフィードバック制御される。そして、上記照射指令部８７の照射指令時間だけレーザ共振器８１からレーザ光８２が照射される。
【０００６】
一般に上記スイッチング電源部８４では、商用交流電源を使用して直流高電圧を出力するため、商用交流電源の変動が上記スイッチング電源８４の直流高電圧出力の変動として現れる。この結果、上記電流検出部８３の出力信号にも商用交流電源の変動が重畳して比較制御部８５にフィードバックされ、レーザ共振器８１に安定した電流が供給されるようにフィードバック制御される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のレーザ発振装置８８では、上記照射指令部８７の照射指令時間が上記比例制御部８５によるフィードバック制御の応答性を上回る場合、図７の従来例に示されるように、商用交流電源の変動によって増減するレーザ光照射オン初期の放電電流ピーク値をフィードバック制御により補正することが出来なくなり、上記レーザ共振器８１から出力されるレーザ光８２の平均出力は図８の従来例に示されるように、商用交流電源が低い場合には平均出力は指令レーザ出力に対して負の誤差を持ち、商用交流電源が高い場合には平均レーザ出力は指令レーザ出力に対して正の誤差を持つこととなり、安定かつ正確な出力レーザ光の出力を阻害することがあった。
【０００８】
そこで、本発明は上記課題を解決するもので、レーザ発振装置に入力される商用交流電源の変動によるスイッチング電源の出力変動を改善し、フィードバック制御の応答性を下げずに、安定かつ正確な出力レーザ光を確保することができ、さらに安価、小型化ができるレーザ発振装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１記載の本発明は、レーザ光を出力するレーザ共振器と、前記レーザ共振器に電力を供給するスイッチング電源部と、レーザ共振器からのレーザ光照射タイミングを決める照射指令部と、前記照射指令部の出力信号により電流値信号を出力する電流値設定部と、前記スイッチング電源部に入力される電源電圧を検出して比例した信号を出力する電源電圧検出手段と、前記電流値設定部の出力信号のオフからオンの立ち上がりスロープを前記電源電圧検出手段の出力信号が大きいほど前記立ち上がりスロープの時定数を大きくするスロープ演算部と、前記スイッチング電源部からの出力電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部の出力信号と前記スロープ演算部の出力信号を比較する比較制御部を設け、比較制御部の出力信号をスイッチング電源部に入力してフィードバック制御するレーザ発振装置である。
【００１０】
請求項２記載の本発明は、予め前記比較制御部のフィードバック応答性が得られる時間を基準値として設定するオン時間基準値設定部と、電流値設定部の出力信号のオン時間と前記オン時間基準値設定部の基準値とを比較するオン時間比較部を設け、オン時間が基準値よりも大きな場合にスロープ演算部の機能を無効とする請求項１記載のレーザ発振装置である。
【００１１】
請求項３記載の本発明は、予め基準値が設定された電源電圧基準値設定部と、電源電圧検出手段の出力信号と基準値設定部の基準値とを比較する電源電圧比較部と、電源電圧比較部の出力をカウントまたは積分する積分手段と、積分手段の出力が所定値を超えた場合に警報を発生させる警報手段を設けた請求項１または２記載のレーザ発振装置である。
【００１２】
請求項４記載の本発明は、予め基準値が設定された電源電圧基準値設定部と、電源電圧検出手段の出力信号と上記基準値設定部の基準値とを比較する電源電圧比較部と、電源電圧比較部の出力をカウントまたは積分する積分手段と、積分手段の出力が所定値を超えた場合にレーザ発振装置の運転を停止させるインターロック手段を設けた請求項１または２記載のレーザ発振装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
第１の発明によれば、電流値設定部と比較制御部の間にスロープ演算部を設けたことにより、スイッチング電源に入力される電源電圧の変動がある場合でも、その変動に応じたレーザ光照射オン初期の放電電流ピーク値をレーザ共振器に入力することにより、フィードバック制御の応答性は維持した状態で、レーザ光照射オン時間が短くても、フィードバック制御による放電電流の補正ができる。
【００１４】
第２の発明によれば、電流値設定部の出力信号をオン時間基準値設定部の基準値とをオン時間比較部を用いて比較し、その出力によってスロープ演算部の機能を有効、若しくは無効の切換えができ、スロープの演算の頻度を低くすることにより、スロープの演算に起因する出力レーザ光への脈動を最低限に抑えることができ、実際の使用上許容される程度まで低減できる。
【００１５】
第３の発明によれば、電源電圧検出手段の出力信号を電源電圧基準設定部の基準値とを電源電圧比較部を用いて比較し、その出力をカウントまたは積分する積分手段と警報表示を行う警報手段を設けたことにより、レーザ発振装置の安定動作および出力レーザ光の安定性を保証することができる。
【００１６】
第４の発明によれば、電源電圧検出手段の出力信号を電源電圧基準設定部の基準値とを電源電圧比較部を用いて比較し、その出力をカウントまたは積分する積分手段と運転停止等のインターロック動作を行うインターロック手段を設けたことにより、レーザ発振装置の安定動作および出力レーザ光の安定性を保証することができる。
【００１７】
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係るレーザ発振装置１０のブロック構成図である。
【００１９】
レーザ発振装置１０は、レーザ共振器１より出力レーザ光２を照射するタイミングを決める照射指令部９と、上記照射指令部９の出力信号により予め設定された電流値信号を出力する電流値設定部７と、スイッチング電源部４に入力される電源電圧を検出して比例した信号を出力する電源電圧検出手段８と、上記電流値設定部７の出力信号のオフからオンの立ち上がりスロープを上記電源電圧検出手段８の出力信号により演算し変化させて出力するスロープ演算部６と、比較演算部５の出力信号により駆動されるスイッチング電源部４と、上記スイッチング電源部４よりの出力電流を検出する電流検出部３と、上記電流検出部３の出力信号と上記スロープ演算部６の出力信号を比較する比較制御部５を備え、上記比較制御部５の出力信号を上記スイッチング電源部４に入力し、フィードバック制御し、スイッチング電源部４よりの電力で出力レーザ光２を発生するレーザ共振器１とを有している。
【００２０】
このように構成されるレーザ発振装置について、その動作の詳細を図１、図５を参照しながら説明する。
【００２１】
図１に示すように、レーザ共振器１より出力レーザ光２を照射する場合は、照射指令部９の出力信号により、電流設定部７で予め設定された指令電流値信号に対する電圧ＶＳを出力し、電源電圧検出手段８よりのスイッチング電源部４に入力される電源電圧に比例した電源電圧検出電圧ＶＰによって、スロープ演算部６で上記指令電流信号の電圧ＶＳのオフからオンの立ち上がりスロープを演算し変化させたスロープ演算後指令電流値の対する電圧ＶＳＳを比例制御部５に出力する。
【００２２】
図５は、上記構成のスロープ演算部６と電源電圧検出手段８を回路構成で示した図である。
【００２３】
電源電圧検出手段８は交流電源に接続された降圧トランス、全波整流平滑回路、および演算増幅器により構成されており、交流電源の変動に比例した電源電圧検出電圧ＶＰが得られる。
【００２４】
スロープ演算部６では、まず上記電源電圧検出手段８よりの電源電圧検出電圧ＶＰとＶＲ１、ＶＲ２により予め設定されているスロープ切換え閾値電圧との同時比較が比較器Ａ１、およびＡ２で行われる。
【００２５】
比較器Ａ１、およびＡ２の出力信号の組み合わせを論理ゲートＢ１、Ｂ２、Ｂ３によって行い、電源電圧の範囲を３つに区分した信号ＶＢ１、ＶＢ２、ＶＢ３を後段のスロープ切換え回路に出力する。
【００２６】
ここで電源電圧の範囲区分を昇順とすれば上記信号の出力順序はＶＢ１→ＶＢ２→ＶＢ３となり、つぎに電源電圧の範囲を３つに区分した信号ＶＢ１、ＶＢ２、ＶＢ３に接続されるアナログスイッチＧ１、Ｇ２、Ｇ３が用意されており、かつアナログスイッチＧ１、Ｇ２、Ｇ３それぞれに抵抗器とコンデンサが直列接続されている。
【００２７】
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３それぞれ直列に接続された抵抗器とコンデンサによる積分回路のオフからオンへの立ち上がり時定数をτ１、τ２、τ３とすればτ１＜τ２＜τ３の関係を持ち、オンからオフへの立ち下がり時定数をτ１’、τ２’、τ３’とすればτ１’＝τ２’＝τ３’の関係を持つように設定されている。
【００２８】
電流値設定部７の指令電流値信号ＶＳは上記の関係を持つ積分回路に入力され、電源電圧の範囲により異なった立ち上がりスロープに変更後、スロープ演算後指令電流値ＶＳＳとして比例制御部５に出力される。図６は電流値設定部７の指令電流値信号ＶＳと、スロープ演算部６のスロープ演算後指令電流値ＶＳＳの比較を行ったものである。
【００２９】
なお、図５の構成では電源電圧の範囲を３つに区分してスロープを変化させているが、ＣＰＵを設け電源電圧に比例する連続したスロープを演算して電流値設定部７の指令電流値信号ＶＳに与え、スロープ演算部６のスロープ演算後指令電流値ＶＳＳを出力するようにしてもよい。
【００３０】
図７は、１パルス期間での同一の電流指令に対する放電電流を、電源電圧が異なる場合で比較したものである。
【００３１】
また、図８は同一のレーザ出力指令に対するパルスの平均レーザ出力を電源電圧が異なる場合で比較したものである。従来例と本発明例の違いは１パルス期間での電流指令に対する放電電流の立ち上がり時のピーク値が電源電圧に応じて異なる点である。
【００３２】
以上のように本実施の形態によれば、電流値設定部と比較制御部の間にスロープ演算部を設けたことにより、スイッチング電源に入力される電源電圧の変動がある場合でも、その変動に応じたレーザ光照射オン初期の放電電流ピーク値をレーザ共振器に入力することにより、フィードバック制御の応答性は維持した状態で、レーザ光照射オン時間が短くても、フィードバック制御による放電電流の補正ができる。
【００３３】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２に係るレーザ発振装置３２のブロック構成図である。
【００３４】
レーザ共振器２１にスイッチング電源２４より電力を供給して出力レーザ光２２を照射するレーザ発振装置３２において、予め基準値が設定されたオン時間基準値設定部３０と、電流値設定部２７の出力信号のオン時間と上記オン時間基準値設定部３０の基準値とを比較するオン時間比較部２９が設けられ、上記オン時間比較部２９の出力によりスロープ演算部２６の機能を有効、若しくは無効の切換えを行うことを、第１の発明に係る実施の形態に付加して有している。
【００３５】
このように構成されるレーザ発振装置について、その動作の詳細を図２を参照しながら説明する。
【００３６】
図２に示すように、第１の発明に係る実施の形態に付加された構成は、オン時間基準値設定部比較部３０とオン時間比較部２９、およびスロープ演算部２６の機能有効、無効の選択入力である。
【００３７】
オン時間基準値設定部３０には予め比較制御部２５のフィードバック応答性が十分得られる時間ｔｆが基準値として設定されている。
【００３８】
照射指令部３１から出力された信号は電流値設定部２７で予め設定された指令電流値信号に対する電圧ＶＳとしてスロープ演算部２６とオン時間比較部２９に出力される。
【００３９】
指令電流値信号に対する電圧ＶＳには照射時間を決定する時間成分ｔｓが含まれている。オン時間比較部２９では上記オン時間基準値設定部３０の基準値ｔｆと、電流値設定部２７からの指令電流値信号に対する電圧ＶＳの時間成分ｔｓとが比較され、比較結果Ｚがスロープ演算部２６へ出力される。
【００４０】
比較結果Ｚはｔｓ≧ｔｆの場合は偽、ｔｓ＜ｔｆの場合は真となるように設定されている。
【００４１】
スロープ演算部２６は上記オン時間比較部２９からの比較結果Ｚを入力できるようになっている。比較結果Ｚが真の場合はスロープ演算部２６では、電源電圧検出手段２８よりのスイッチング電源部４に入力される電源電圧に比例した電源電圧検出電圧ＶＰによって、スロープ演算部２６で上記指令電流信号の電圧ＶＳのオフからオンの立ち上がりスロープを演算し変化させたスロープ演算後指令電流値の対する電圧ＶＳＳを比例制御部２５に出力する。また、比較結果Ｚが偽の場合は、スロープ演算部２６では何も行わず、つまり、ＶＳＳ＝ＶＳとして比例制御部へと出力する。
【００４２】
一般的に、電流のフィードバックループはレーザ出力のフィードバックループ内側のマイナーループとして構成されている。レーザ出力のフィードバック制御において内側の電流フィードバックループの応答性などの変化が制御実行中に行われた場合に、出力に上記応答性の変化に起因する脈動が発生することがある。この脈動が最終の制御対象物理量、本願の場合は出力レーザ光にまで現れる場合には、脈動が実際の使用上許容される程度ま低減する必要がある。
【００４３】
以上のように本実施の形態によれば、電流値設定部の出力信号をオン時間基準値設定部の基準値とをオン時間比較部を用いて比較し、その出力によってスロープ演算部の機能を有効、若しくは無効の切換えができ、スロープの演算の頻度を低くすることにより、スロープの演算に起因する出力レーザ光への脈動を最低限に抑えることができ、実際の使用上許容される程度まで低減できる。
【００４４】
（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３に係るレーザ発振装置５６のブロック構成図である。
【００４５】
レーザ共振器４１にスイッチング電源４４より電力を供給して出力レーザ光４２を照射するレーザ発振装置５６において、予め基準値が設定された電源電圧基準値設定部５２と、電源電圧検出手段５５の出力信号と上記基準値設定部５２の基準値とを比較する電源電圧比較部４８と、上記電源電圧比較部４８の出力をカウントまたは積分する積分手段５３と、上記積分手段の出力が所定値を超えた場合に警報を出す警報手段５４が設けられていることを、第１の発明に係る実施の形態および第２の発明に係る実施の形態に付加して有している。
【００４６】
このように構成されるレーザ発振装置について、その動作の詳細を図３を参照しながら説明する。
【００４７】
図３に示すように、実施の形態１および実施の形態２に付加された構成は、電源電圧基準値設定部５２、電源電圧比較部４８、積算手段５３、および警報手段５４である。上記電源電圧基準値設定部５２には予めレーザ発振装置の仕様電源電圧に相当する基準値電圧ＶＬおよびＶＨが設定されている。
【００４８】
ここで、ＶＬは最低仕様電源電圧、ＶＨは最高仕様電源電圧電源に相当する値を持つ。
【００４９】
電圧検出手段５５よりのスイッチング電源部４４に入力される電源電圧に比例した電源電圧検出電圧ＶＰはスロープ制御部４６と上記電源電圧比較部４８に出力される。
【００５０】
上記電源電圧比較部４８では上記電源電圧基準値設定部５２の基準値ＶＫと、電源電圧検出手段５５からの電源電圧に比例した電源電圧検出電圧ＶＰとが比較され、比較結果がＶＰ＜ＶＬまたはＶＰ＞ＶＨである場合に積算手段５３に信号が出力される。
【００５１】
その出力を積算手段５３で時間の関数としてカウントまたは積分し、積算手段５３の出力が所定値を超えた場合に警報手段５４において警報を発生させる機能を持たせている。
【００５２】
以上のように本実施の形態によれば、電源電圧検出手段の出力信号を電源電圧基準設定部の基準値とを電源電圧比較部を用いて比較し、その出力をカウントまたは積分する積分手段と警報表示を行う警報手段を設けたことにより、レーザ発振装置の安定動作および出力レーザ光の安定性を保証することができる。
【００５３】
（実施の形態４）
図４は本発明の実施の形態４に係るレーザ発振装置７６のブロック構成図である。
【００５４】
レーザ共振器６１にスイッチング電源６４より電力を供給して出力レーザ光６２を照射するレーザ発振装置７６において、予め基準値が設定された電源電圧基準値設定部７２と、電源電圧検出手段７５の出力信号と上記基準値設定部７２の基準値とを比較する電源電圧比較部６８と、上記電源電圧比較部６８の出力をカウントまたは積分する積分手段７３と、上記積分手段の出力が所定値を超えた場合にレーザ発振装置の運転を停止させるインターロック動作を行うインターロック手段７４が設けられていることを、第１の発明に係る実施の形態および第２の発明に係る実施の形態に付加して有している。
【００５５】
このように構成されるレーザ発振装置について、その動作の詳細を図４を参照しながら説明する。
【００５６】
図４に示すように実施の形態１および実施の形態２に付加された構成は、電源電圧基準値設定部７２、電源電圧比較部６８、積算手段７３、およびインターロック手段７４である。上記電源電圧基準値設定部７２には予めレーザ発振装置の仕様電源電圧に相当する基準値電圧ＶＬおよびＶＨが設定されている。
【００５７】
ここで、ＶＬは最低仕様電源電圧、ＶＨは最高仕様電源電圧電源に相当する値を持つ。
【００５８】
電圧検出手段７５よりのスイッチング電源部６４に入力される電源電圧に比例した電源電圧検出電圧ＶＰはスロープ制御部６６と上記電源電圧比較部６８に出力される。
【００５９】
上記電源電圧比較部６８では上記電源電圧基準値設定部７２の基準値ＶＫと、電源電圧検出手段７５からの電源電圧に比例した電源電圧検出電圧ＶＰとが比較され、比較結果がＶＰ＜ＶＬまたはＶＰ＞ＶＨである場合に積算手段７３に信号が出力される。
【００６０】
その出力を積算手段７３で時間の関数としてカウントまたは積分し積算手段７３の出力が所定値を超えた場合にインターロック手段７４において装置の運転を強制的に停止する等のインターロック機能を持たせている。
【００６１】
以上のように本実施の形態によれば、電源電圧検出手段の出力信号を電源電圧基準設定部の基準値とを電源電圧比較部を用いて比較し、その出力をカウントまたは積分する積分手段と運転停止等のインターロック動作を行うインターロック手段を設けたことにより、レーザ発振装置の安定動作および出力レーザ光の安定性を保証することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、第１の発明によれば、電流値設定部と比較制御部の間にスロープ演算部を設けたことにより、スイッチング電源に入力される電源電圧の変動がある場合でも、その変動に応じたレーザ光照射オン初期の放電電流ピーク値をレーザ共振器に入力することにより、フィードバック制御の応答性は維持した状態で、レーザ光照射オン時間が短くても、フィードバック制御による放電電流の補正ができる。
【００６３】
第２の発明によれば、電流値設定部の出力信号をオン時間基準値設定部の基準値とをオン時間比較部を用いて比較し、その出力によってスロープ演算部の機能を有効、若しくは無効の切換えができ、スロープの演算の頻度を低くすることにより、スロープの演算に起因する出力レーザ光への脈動を最低限に抑えることができ、実際の使用上許容される程度まで低減できる。
【００６４】
第３の手段によれば、電源電圧検出手段の出力信号を電源電圧基準設定部の基準値とを電源電圧比較部を用いて比較し、その出力をカウントまたは積分する積分手段と警報表示を行う警報手段を設けたことにより、レーザ発振装置の安定動作および出力レーザ光の安定性を保証することができる。
【００６５】
第４の発明によれば、電源電圧検出手段の出力信号を電源電圧基準設定部の基準値とを電源電圧比較部を用いて比較し、その出力をカウントまたは積分する積分手段と運転停止等のインターロック動作を行うインターロック手段を設けたことにより、レーザ発振装置の安定動作および出力レーザ光の安定性を保証することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ発振装置のブロック構成図
【図２】本発明の実施の形態２に係るレーザ発振装置のブロック構成図
【図３】本発明の実施の形態３に係るレーザ発振装置のブロック構成図
【図４】本発明の実施の形態４に係るレーザ発振装置のブロック構成図
【図５】本発明の電源検出手段とスロープ演算部の回路構成図
【図６】指令電流値ＶＳとスロープ演算後指令電流値ＶＳＳの関係図
【図７】１パルス期間での同一の電流指令に対する放電電流を、電源電圧が異なる場合で比較した関係図
【図８】同一のレーザ出力指令に対するパルスの平均レーザ出力を電源電圧が異なる場合で比較した関係図
【図９】従来のレーザ発振装置のブロック構成図
【符号の説明】
１    レーザ共振器
２    出力レーザ光
３    電流検出部
４    スイッチング電源部
５    比較制御部
６    スロープ演算部
７    電流値設定部
８    電源電圧検出手段
９    照射指令部
１０  レーザ発振装置
【図１】
0003601495.tif 000002
【図５】
0003601495.tif 000003
【図６】
0003601495.tif 000004
【図７】
0003601495.tif 000005
【図９】
0003601495.tif 000006
【図２】
0003601495.tif 000007
【図３】
0003601495.tif 000008
【図４】
0003601495.tif 000009
【図８】
0003601495.tif 000010