(57)【要約】　　　（修正有）【課題】レーザ装置のシャッタの開閉前後でパワー値の安定したレーザ光を確保するために出力調整可能な半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ手段１よりのレーザ光を被加工物５へ集光する集光手段４の間に遮蔽手段３を設け、遮蔽手段３の反射光９を受光する受光手段６でパワー値を検出し、そのパワー値と指令パワー値の比を補正値として制御手段に７に記憶し、被加工物にレーザ照射時は、補正値によりレーザ光の出力調整をする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源部からエネルギーが供給されて指令値のレーザ光を出力する半導体レーザ手段と、前記レーザ光を被加工物へ集光する集光手段と、前記半導体レーザ手段と集光手段との間に設けた前記レーザ光の遮蔽手段と、前記遮蔽手段による反射光を受光する受光手段と、前記被加工物へのレーザ光を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は前記受光手段で検出したレーザ光の出力値と前記指令値との比を記憶し、この比によりレーザ光の出力調整を行なう半導体レーザ装置。
【請求項２】
受光手段で検出したレーザ光の出力値は、前記受光手段を冷却する冷媒量と、この冷媒の温度上昇値とから修正する請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
受光手段で検出したレーザ光の出力値は、前記受光手段を冷却する冷媒量と、前記受光手段の温度分布値とにより修正する請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
受光手段の温度分布は熱起電力で検出する請求項３記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
半導体レーザ手段からの出射光と集光手段からの出射光との補正値を演算する演算手段を有した請求項１から４のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
演算手段は、半導体レーザ手段からの出射光の計測時、遮蔽手段が被加工物へのレーザ光路上に移動され、前記半導体レーザ手段へのレーザ光の指令値と、受光手段で検出したレーザ光と、予め設定された集光手段の減衰係数とを基に前記集光手段からの出射光を演算する請求項６記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
被加工物の加工時、遮蔽手段を前記被加工物へのレーザ光路外に移動し、演算手段で演算した集光手段からの出射光を基に半導体レーザ手段へのレーザ光指令値に対する電源部へのエネルギーを演算し、前記被加工物へのレーザ光出力を制御する請求項７記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
演算手段で演算された集光手段からの出射光が所定値を超えた場合に警報を出す、若しくは半導体レーザ装置の運転を停止させるインターロック動作を行なう警報手段が設けられた請求項７または８記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
加工物を乗せる加工テーブルの移動と半導体レーザ加工ヘッドの少なくとも一方を移動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する数値制御手段と、レーザ光を発生する請求項１から８のいずれかに記載の半導体レーザ装置とを備えたレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ光を発生する半導体レーザ装置およびレーザ加工機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザ光の特性を活用するために、通信、エレクトロニックス、光技術若しくは精密加工等、種々の分野において、レーザ装置が利用されている。
【０００３】
この種のレーザ装置として、図５の構成図に示すようなものが開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
以下、その構成について図５を参照しながら説明する。
【０００５】
このレーザ装置では、レーザ共振器５１から発せられるレーザ光５２を安定させるために、まず、出力センサ５７においてレーザ光５２が検出され、その検出値が、予め設定された設定値となるように、前記レーザ共振器５１に電力を供給する駆動電源５３がフィードバック制御される。
【０００６】
このレーザ装置には、レーザ光路上で開閉作動するシャッタ５５が設けられている。出力センサ５７においてレーザ光５２を検出する場合、シャッタ５５は閉じられ（図中の実線）、レーザ共振器５１から発せられたレーザ光５２は、シャッタ５５の反射面において反射されることにより、出力センサ５７に供給される。この出力センサ５７において検出されるレーザ光５２のパワー値が予め設定された値に安定するまでには、所定時間必要とされる。
【０００７】
前記レーザ共振器５１から発せられるレーザ光５２のパワー値が安定した後、シャッタ５５は開放される（図中の破線）が、この場合に、出力センサ５７から出力が断たれる結果として、駆動電源５３からレーザ共振器５１へ電力が過剰に供給され過大なレーザ光５２が出射されるのを防止するために、このレーザ装置には、シャッタ５５の動作と連動して作動するスイッチ５８が設けられており、シャッタ５５が開放されると同時に、出力センサ５７と駆動電源５３との接続が断たれるようになっている。
【０００８】
更に、スイッチ５８と駆動電源５３との間に記憶素子５９が配置され、シャッタ５５が閉じている間、駆動電源５３を制御する出力センサ５７の検出値が記憶される。そして、この記憶素子５９から、シャッタ５５が開放されると同時に、その直前に記憶された出力センサ５７の検出値に基づく制御信号が駆動電源５３側へ出力される。駆動電源５３は、その制御信号に基づいて、前記レーザ共振器５１に電力を供給する。この結果、シャッタ５５の開閉前後でパワー値の安定したレーザ光が確保される。
【０００９】
【特許文献１】
特公昭６３−４２４３０号公報（第３−４頁、第２図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のレーザ装置は、シャッタ５５の開閉前後でパワー値の安定したレーザ光５２を確保するために、レーザ光５２が安定した状態での出力センサ５７の検出値を記憶素子５９に記憶し、この記憶値に基づいて駆動電源５３を制御するようにしている。係る方式では、レーザ光５２のパワー値を設定し直す毎にレーザ光５２が安定した状態における出力センサ５７の検出値を記憶する必要がある。
【００１１】
すなわち、このレーザ装置では、レーザ光５２のパワー値を設定し直した場合、再度シャッタ５５が閉じられ、レーザ光５２がフィードバックされた後、安定した出力センサ５７の検出値が前記記憶素子５９に記憶される。この場合、レーザ光が新たに設定されてから、レーザ光５２が設定されたパワー値に安定するまでに所定時間が必要とされるという課題を有していた。
【００１２】
本発明は、所定パワーに安定したレーザ光を迅速に出力することができるレーザ装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願発明の半導体レーザ装置は、電源部からエネルギーが供給されて指令値のレーザ光を出力する半導体レーザ手段と、前記レーザ光を被加工物へ集光する集光手段と、前記半導体レーザ手段と集光手段との間に設けた前記レーザ光の遮蔽手段と、前記遮蔽手段による反射光を受光する受光手段と、前記被加工物へのレーザ光を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は前記受光手段で検出したレーザ光の出力値と前記指令値との比を記憶し、この比によりレーザ光の出力調整を行なうものである。
【００１４】
この構成によれば、受光手段で検出したレーザ光の出力値と指令値との比を制御手段に記憶することにより、レーザ光の出力値が変化した場合でも再度受光手段においてレーザ光を検出し、レーザ光の出力値をフィードバック制御する必要がなく、指令された出力値のレーザ光を迅速に出射させることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の半導体レーザ装置の実施の形態１における構成図である。
【００１７】
図１において、１はレーザ光を出力する半導体レーザ手段、２はレーザ光、３は開閉動作する遮蔽手段、４はレーザ光を被加工物へ集光する集光手段、５は被加工物、６は遮蔽手段の反射光を受光する受光手段、７はレーザ光を制御する制御手段、８は半導体レーザ手段にエネルギーを供給する電源部、９は反射光、１０はインターロック動作をする警報手段、１１は補正値を演算する演算手段、１２は冷媒を供給する冷供給手段を示す。
【００１８】
以上のように構成された半導体レーザ装置について、その動作を説明する。
【００１９】
半導体レーザ手段１は、電源部８からエネルギーを供給されてレーザ光２を出力する。レーザ光２の計測時、エアーシリンダ等からなる駆動手段により遮蔽手段３がレーザ光路上に移動し、レーザ光２は遮断手段３の反射面において反射され、反射光９として受光手段６で受光される。受光手段６は、受光したレーザ光を光エネルギーから熱エネルギーに変換し、パワー値として制御手段７に出力する。制御手段７は、受光手段６において変換されたパワー値と、指令パワー値との比を補正値として記憶する。
【００２０】
一方、被加工物を加工時は、遮蔽手段３をレーザ光路外に移動し、制御手段７によりレーザ光の指令パワー値と記憶していた上述の補正値とを基に電源部８へのエネルギーを演算し、半導体レーザ手段１に供給することによりレーザ光２を出力し、集光手段４を経由して被加工物５に照射される。
【００２１】
この半導体レーザ装置では、指令パワーを任意に指令できるが半導体レーザ手段１の内部ミラーの汚れ、レーザ素子の固体差、等の要因により半導体レーザ手段１より出射されるレーザ光のパワー値と指令パワー値とが一致しないことが多々有る。
【００２２】
このため、この半導体レーザ装置では、レーザ出力の計測時、予め設定された２点、若しくは２点以上の出力指令状態で各パワー値を計測し、計測したパワー値と、指令パワー値との比に相当する補正係数を演算し、この補正係数を各指令パワー値の補正値として制御手段７に記憶される。
【００２３】
そして、被加工物を加工時、制御手段７によりレーザ光の指令パワー値と記憶していた補正値とを基に半導体レーザ手段１より指令パワー値に対するレーザ光が出射される。また、指令パワー値が変更された場合でも記憶している補正値により、電源部へのエネルギーの供給が変更され、敏速に半導体レーザ手段１よりのレーザ光のパワー値が変更できる。
【００２４】
以上のように、各指令パワー値に対しての補正係数が補正値として記憶されているため、指令パワー値を変更した場合でも制御手段７に記憶している補正値を基に電源部８へのエネルギーを演算し、半導体レーザ手段１に供給されことにより、再度受光手段においてレーザ光を検出し、レーザ光のパワー値をフィードバック制御する必要がなく、指令されたパワー値のレーザ光を迅速に出射させることが可能となる。
【００２５】
図２は本発明の実施の形態１における受光手段６の詳細構成と制御手段７との関係図である。
【００２６】
図２において、２１は受光部２４を冷却する冷媒、２２は冷媒の流量を検出する冷媒量検出手段、２３は冷媒の入口温度を検出する入口温度検出手段、２４は反射光を受光する受光部、２５は冷媒の出口温度を検出する出口温度検出手段、を示す。
【００２７】
受光手段６は冷却水などの冷媒２１が冷媒供給手段１２から供給を受け、冷却されていて、冷媒２１の流量を検出する冷媒量検出手段２２と、冷媒２１の入口温度を検出する入口温度検出手段２３と、反射光９を受光する受光部２４と、冷媒２１の出口温度を検出する出口温度検出手段２５より構成される。そして、出口温度検出手段２５からの冷媒２１は冷媒供給手段１２へ戻り、入口温度検出手段２３と出口温度検出手段２５における検出情報は制御手段７に出力される。
【００２８】
受光部２４に反射光９が照射されると反射光９の光エネルギーが熱エネルギーに変換され、受光部２４を通過している冷媒２１の温度が上昇する。冷媒２１の入口温度と出口温度との差、および、冷媒２１の流量を検出して受光している反射光９のパワー値を測定する。
【００２９】
冷媒２１の温度上昇は、受光する反射光９のパワー値に比例し、冷媒２１の流量に反比例することにより、冷媒２１の温度上昇値と冷媒２１の流量を検出することにより反射光９のパワー値を正確に測定することが可能である。
【００３０】
図３は本発明の実施の形態１における受光手段６の構成と制御手段７ａとの関係図である。
【００３１】
図３において、２６は受光手段６の温度分布を検出する温度分布検出手段、２７ａは熱電対の温接点、２７ｂは熱電対の冷接点、７ａは制御手段を示す。
【００３２】
受光手段６は冷却水などの冷媒２１が冷媒供給手段１２から供給を受け、冷却されていて、冷媒２１の流量を検出する冷媒量検出手段２２と、反射光９を受光する受光部２４ａと、受光部２４ａの温度分布を検出する温度分布検出手段２６、より構成されている。そして、受光部２４ａからの冷媒２１は冷媒供給手段１２へ戻る。
【００３３】
また、受光部２４ａに反射光９が照射されるとレーザ光の光エネルギーが熱エネルギーに変換され、受光部２４ａを通過している冷媒２１に熱エネルギーが伝達される。
【００３４】
受光部２４ａは反射光９の受光している部分と冷媒２１が通過している部分とに温度差が発生していて、その温度分布を検出する温度分布検出手段２６、および、冷媒２１の流量を検出して受光している反射光９のパワー値を測定する。
【００３５】
受光部２４ａの温度分布は、受光する反射光９のパワー値に比例し、冷媒２１の流量に反比例することにより、受光部２４ａの温度分布値と冷媒２１の流量を検出することにより反射光９のパワー値を正確に修正することが可能である。
【００３６】
また、温度分布の検出には、熱起電力を応用した熱電対の温接点２７ａと冷接点２７ｂを組合せたサーモパイルを使用することにより、安価で取扱い容易な温度分布の測定が可能となり、受光手段６でのパワー修正が容易になる。
【００３７】
図１に示すように、半導体レーザ手段１からのレーザ光２は、集光手段４を経由して被加工物５に照射されるが、集光手段４は、一定の吸収率を持っており、集光手段４を通過するとレーザ光２にパワー損失が発生して、被加工物５に照射されるレーザ光のパワー値が低下する。
【００３８】
そこで、制御手段７に集光手段４の吸収率相当を予め減衰係数として設定しておき、演算手段１１で補正値を演算する時に、減衰係数を含めて演算することにより、集光手段より出射される出射光を指令パワーに対して誤差の少ない、正確なパワー値にすることができる。
【００３９】
また、予め設定された集光手段４の減衰係数を基に集光手段４からの出射光を補正値として演算するため、集光手段４の減衰率が変化した場合でも減衰係数を変更することにより、指令パワー値を補正して、集光手段４より出射されるレーザ光が指令パワーに対して誤差の少ない、更に正確なパワー値にすることができる。
【００４０】
ところで、本実施の形態における半導体レーザ装置は半導体レーザ手段１へ供給されるエネルギーの低下や半導体レーザ手段１の素子の劣化、素子の故障等により補正値が所定値を超えた場合に警報作動や半導体レーザ装置の運転を停止させるインターロック動作などが設けられていて、半導体レーザ手段１よりレーザ光２を監視することができ、この結果、半導体レーザ装置よりの不安定な出力のレーザ光の出射を防止することができる。
【００４１】
なお、以上の構成からなる半導体レーザ装置では、各構成に制御素子を設けて、各信号処理または各構成において制御するようにしたが、半導体レーザ装置に、各構成に接続されるＣＰＵを設け、各処理を統括的に制御するようにしても良い。
【００４２】
図４は、本発明の実施の形態におけるレーザ加工機の構成図を示している。
【００４３】
レーザ加工機は、加工ワーク４１を乗せる加工テーブル４２と、加工テーブル４２の移動または半導体レーザ加工ヘッド４５の少なくとも一方を移動する駆動部４３と、駆動部４３を制御する数値制御装置４４、により構成されている。
【００４４】
半導体レーザ加工ヘッド４５より出力されたレーザ光は、加工ワーク４１に照射され、加工が開始される。それと同時に数値制御装置４４により駆動部４３に指令が出力され、加工テーブル４２または半導体レーザ加工ヘッド４５の少なくとも一方を動作させて加工ワーク４１を溶接または切断される。
【００４５】
レーザ加工機によれば、半導体レーザへ供給している電源障害ゃ半導体レーザの素子の劣化、素子の故障等が発生した場合、また、半導体レーザ経時変化によるパワー低下が発生した場合でも、前述した半導体レーザ装置より不安定なレーザ光の照射を防止し、レーザ光の出力パワーの正確な照射が再現でき、数値制御装置によりレーザ発振器が統括的に制御されことにより、レーザ加工の信頼性が向上すると共に加工ワークへの不良品の混入を防止することができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、受光手段で検出したパワー値と指令パワー値との比を補正値として制御手段に記憶することにより、指令パワー値が変化した場合でも再度受光手段においてレーザ光を検出し、レーザ光のパワー値をフィードバック制御する必要がなく、指令されたパワー値のレーザ光を迅速に出射させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体レーザ装置の構成図
【図２】同実施の形態１における受光手段の詳細構成と制御手段との関係図
【図３】同実施の形態１における受光手段の詳細構成と制御手段との関係図
【図４】同実施の形態１におけるレーザ加工機の構成図
【図５】従来におけるレーザ装置の構成図
【符号の説明】
１：半導体レーザ手段
２：レーザ光
３：遮蔽手段
４：集光手段
５：被加工物
６：受光手段
７，７ａ：制御手段
８：電源部
９：反射光
１０：警報手段
１１：演算手段
２１ａ，ｂ：冷媒
２２：冷媒量検出手段
２３：入口温度検出手段
２４：受光部
２５：出口温度検出手段
２６：温度分布検出手段
２７ａ：熱電対の温接点
２７ｂ：熱電対の冷接点
４１：加工ワーク
４２：加工テーブル
４３：駆動部
４４：数値制御装置
４５：半導体レーザ加工ヘッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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