(57)【要約】【課題】安定した出力レーザ光を出力するレーザ発振装置および安定した加工が可能なレーザ加工機を比較的安価に、かつ汎用的に提供する。【解決手段】比較制御部５では、照射指令部４よりの所定レーザ光の出力指令値とパワー検出部３の出力電圧から差動増幅器８により偏差信号を得た後に、加算器９で偏差信号と出力指令値を加算し、出力される。ただし、比例制御部５のフィードバック切替部１０は照射指令部４よりの出力指令値のパワー成分が予め設定された値より低い場合に、前記差動増幅器８と前記加算器９の間にあるスイッチ１１を開となしフィードバック制御を無効とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の出力指令値を出力する照射指令部と、レーザ光の出力パワーを出力パワー検出値として検出するパワー検出部と、前記出力指令値と前記パワー検出値を比較する比較制御部とを有し、前記比較制御部は比較結果により前記レーザ光の出力のフィードバック制御の有無を制御するレーザ発振装置。
【請求項２】
照射指令部からの出力指令値がレーザ出力のパワー指令値である請求項１記載のレーザ発振装置。
【請求項３】
照射指令部からの出力指令値がレーザ出力のパルス周波数成分である請求項１記載のレーザ発振装置。
【請求項４】
照射指令部からの出力指令値がレーザ出力のパルスデューティ成分である請求項１記載のレーザ発振装置。
【請求項５】
加工ワークを乗せる加工テーブルと、前記加工テーブルとレーザ加工トーチ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装置と、請求項１から４のいずれかに記載のレーザ発振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】
本発明はレーザ発振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、レーザ発振装置およびレーザ加工機は加工対象物を非接触でかつ熱影響が少なく加工できるという特徴から多様な材質や形状の切断や溶接等に実用され、精密化及び高速化の要望は日々増加の一途にある。
【０００３】
以下、図を用いて説明する。
【０００４】
図３は従来のレーザ発振装置を示しており、１０１はレーザ共振器で、レーザ媒質を励起して出力レーザ光１０６を出力すると共に検出レーザ光１０７をパワー検出部１０３に出力する。１０２は高電圧電源部で、加算器１０９からの出力を受け高電圧をレーザ共振器１０１に出力する。パワー検出部１０３から出力レーザ光１０６に比例した電圧が差動増幅器１０８に出力される。
【０００５】
１０５は比較制御部で、差動増幅器１０８と加算器１０９とから構成される。差動増幅器１０８は照射指令部１０４からの出力指令値とパワー検出部１０３からの電圧を入力し、加算器１０９に出力する。加算器１０９は照射指令部１０４と差動増幅器１０８とからの出力を入力し、高電圧電源部１０２に出力する。
【０００６】
以上のように構成されたレーザ発振装置について、その動作を説明する。
【０００７】
レーザ共振器１０１に高電圧電源部１０２より高電圧を印加することによりレーザ媒質を励起し、レーザ共振器１０１の出力鏡より、出力レーザ光１０６が照射される。
【０００８】
一方、レーザ共振器１０１の終端鏡にはレーザ光の約１％前後を透過する性質を有する部分透過鏡が取りつけられており、出力レーザ光１０６に比例した検出レーザ光１０７が取り出される。
【０００９】
検出レーザ光１０７はパワー検出部１０３の入力に取りつけられた積分器に入射し拡散後に、サーモパイルからなるパワー検出器により出力レーザ光１０６に比例した電圧に変換され、パワー検出部１０３から比較制御部１０５に出力される。
【００１０】
比較制御部１０５では、照射指令部１０４よりの所定レーザ光の出力指令値とパワー検出部１０３の出力電圧が差動増幅器１０８に入力されて偏差信号を得た後に、加算器１０９で差動増幅器１０８からの偏差信号と照射指令部１０４からの出力指令値とが加算され、高電圧電源部１０２に出力される。
【００１１】
この比較制御部１０５の出力信号により、高電圧電源１０２の出力電圧あるいは出力電流を制御することによりレーザ共振器１０１を制御して、出力レーザ光１０６の出力パワーをほぼ一定に保つ（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−２３７６３８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のレーザ発振装置は、パワー検出部１０３の応答時間が数ｍｓと遅いため、比較制御部１０５のフィードバック制御応答速度が制約され、照射指令部１０４よりの出力指令値の変化速度がフィードバック制御応答速度を超える場合には、比較制御部１０５の出力信号にオーバーシュートやハンチングが発生し、出力レーザ光１０６の出力パワーの安定性を数十ｍｓから数百ｍｓの期間、低下させるという課題を有していた。
【００１４】
そして近年の精密加工及び高速加工においては、出力レーザ光１０６の出力パワーの安定性が数十ｍｓから数百ｍｓの期間、低下する現象が無視できなくなってきている。
【００１５】
なお、従来においては、応答時間が数μｓと高速なパワー検出部もあるが、高速応答のパワー検出部は一般的に高価でレーザ発振装置およびレーザ加工機への応用には実用的ではない。
【００１６】
本発明は、安定した出力レーザ光を出力するレーザ発振装置および安定した加工が可能なレーザ加工機を比較的安価に、かつ汎用的に提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のレーザ発振装置は、レーザ光の出力指令値を出力する照射指令部と、レーザ光の出力パワーを出力パワー検出値として検出するパワー検出部と、前記出力指令値と前記パワー検出値を比較する比較制御部とを有し、前記比較制御部は比較結果により前記レーザ光の出力のフィードバック制御の有無を制御するもので、この構成により安定した出力レーザ光を出力することができる。
【００１８】
また、本発明のレーザ加工機は、加工ワークを乗せる加工テーブルと、前記加工テーブルとレーザ加工トーチ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装置と、上記のレーザ発振装置とを備えたもので、この構成により安定した加工が可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１において、１はレーザ共振器で、レーザ媒質を励起して出力レーザ光６を出力すると共に検出レーザ光７をパワー検出部３に出力する。２は高電圧電源部で、加算器９からの出力を受け高電圧をレーザ共振器１に出力する。パワー検出部３から出力レーザ光６に比例した電圧が差動増幅器８に出力される。
【００２０】
５は比較制御部で、差動増幅器８，加算器１０９，フィードバック切替部１０およびスイッチ１１から構成される。差動増幅器８は、照射指令部４からの出力指令値とパワー検出部３からの電圧を入力し、スイッチ１１を経て加算器９に出力する。また、フィードバック切替部１０は、照射指令部４からの出力指令値を入力し、設定値によりスイッチ１１の開閉を制御する。加算器９は照射指令部４と差動増幅器８とからの出力を入力し、高電圧電源部２に出力する。
【００２１】
以上のように構成されたレーザ発振装置について、その動作を説明する。
【００２２】
レーザ共振器１は高電圧電源部２より高電圧を印加されることによりレーザ媒質を励起し、レーザ共振器１の出力鏡より、出力レーザ光６が照射される。
【００２３】
一方、レーザ共振器１の終端鏡にはレーザ光の約１％前後を透過する性質を有する部分透過鏡が取りつけられており、出力レーザ光６に比例した検出レーザ光７が取り出される。
【００２４】
パワー検出部３は、例えばサーモパイルからなる微少パワー検出器などで構成されていて、図示しない積分球の出力ポートからのレーザ光に比例した電圧を出力する。
【００２５】
検出レーザ光７はパワー検出部３に入力し、レーザ光に比例した電圧に変換されて出力する。
【００２６】
比較制御部５では、照射指令部４よりの所定レーザ光の出力指令値とパワー検出部３の出力電圧から差動増幅器８により偏差信号を得た後に、加算器９で偏差信号と出力指令値を加算し、出力される。
【００２７】
ここで、比例制御部５の一部を構成するフィードバック切替部１０は、入力した照射指令部４よりの出力指令値であるレーザ出力のパワー指令値が、予め設定された値以上の場合に、差動増幅器８と加算器９の間にあるスイッチ１１を閉となしフィードバック制御を有効とする。
【００２８】
また、フィードバック切替部１０は、入力した照射指令部４よりの出力指令値であるレーザ出力のパワー指令値が、予め設定された値未満の場合に、差動増幅器８と加算器９の間にあるスイッチ１１を開となしフィードバック制御を無効とする。
【００２９】
この理由として、出力レーザ光６の出力パワーを大きくする場合、レーザ媒質を励起するための注入エネルギーを増加させるが、ガスレーザなどの放電励起では注入エネルギーが増加すると放電が不安定となり、レーザ光６の出力パワー安定化のためフィードバック制御を必要とするためである。そして、出力パワーが大きい場合、比較制御部５の出力信号に発生するオーバーシュートやハンチングは、出力パワーに比較すると小さく無視できるため、出力レーザ光６の出力パワーの安定性を損なうことはない。
【００３０】
また、出力レーザ光６の出力パワーが小さい場合、励起のための注入エネルギーが小さいため、ガスレーザなどの放電励起でも放電が安定しており、フィードバック制御を無効としても、ほぼ安定した出力レーザ光６の出力パワーが得られる。
【００３１】
この比較制御部５の出力信号により、高電圧電源２の出力電圧あるいは出力電流を制御して、出力レーザ光６の出力パワーをほぼ一定に保持する。
【００３２】
なお、前記はガスレーザを例に説明したが、適切であればＹＡＧレーザなどいかなる発振器を用いても良い。
【００３３】
また、上記では、フィードバック切替部１０は、入力した照射指令部４よりの出力指令値であるレーザ出力のパワー指令値が、予め設定された値以上の場合にフィードバック制御を有効にして、設定された値未満の場合にフィードバック制御を無効にすることを説明したが、種々の状況で、入力した照射指令部４よりの出力指令値であるレーザ出力のパワー指令値が、予め設定された値を超えた場合にフィードバック制御を有効にして、設定された値以下の場合にフィードバック制御を無効にしてもよい。
【００３４】
以上のように、照射指令部４からの出力指令値であるレーザ出力のパワー指令値が、予め設定された値を超えた場合には、差動増幅器８と加算器９の間にあるスイッチ１１を閉となしフィードバック制御を行い、照射指令部４からの出力指令値であるレーザ出力のパワー指令値が、予め設定された値以下の場合には、差動増幅器８と加算器９の間にあるスイッチ１１を開となしフィードバック制御を行わないように制御することにより、出力指令値であるレーザ出力のパワー指令値によらず、安定した出力レーザ光を出力することができるのである。
【００３５】
（実施の形態２）
本実施の形態において、実施の形態１と同じ構成については同じ符合を付し、その説明を省略する。
【００３６】
次に動作について説明する。
【００３７】
本実施の形態において、実施の形態１と異なる動作は、比例制御部５のフィードバック切替部１０は、照射指令部４よりの出力指令値であるレーザ出力のパルス周波数成分が予め設定された値以下の場合に、差動増幅器８と加算器９の間にあるスイッチ１１を閉となしフィードバック制御を有効とし、照射指令部４よりの出力指令値であるレーザ出力のパルス周波数成分が予め設定された値より高い場合に、差動増幅器８と加算器９の間にあるスイッチ１１を開となしフィードバック制御を無効とする点である。
【００３８】
出力レーザ光６がパルス出力での加工用途として、出力レーザ光６の出力周波数が低い場合は加工ワークの厚みが厚い加工用途に主に使用され加工速度が比較的低く、この場合は出力レーザ光６の平均出力パワーの長時間安定性が求められるため、フィードバック制御を有効とする。この理由は、比較制御部５の出力信号に発生するオーバーシュートやハンチングの加工結果への影響は加工速度が低いため無視できるからである。
【００３９】
また、出力レーザ光６の出力周波数が高い場合は、加工ワークの厚みが薄い加工用途に主に使用され加工速度は高く、この場合は比較制御部５の出力信号に発生するオーバーシュートやハンチングが加工開始の加工面を乱すことがあるため、フィードバック制御を無効として、比較制御部５の出力信号に発生するオーバーシュートやハンチングを防止する。
【００４０】
以上のように、照射指令部４からの出力指令値であるレーザ出力のパルス周波数成分が、予め設定された値以下の場合には、差動増幅器８と加算器９の間にあるスイッチ１１を閉となしフィードバック制御を行い、照射指令部４からの出力指令値であるレーザ出力のパルス周波数成分が、予め設定された値より高い場合には、差動増幅器８と加算器９の間にあるスイッチ１１を開となしフィードバック制御を行わないように制御することにより、出力指令値であるレーザ出力のパルス周波数成分によらず加工用途に適した、安定した出力レーザ光を出力することができるのである。
【００４１】
（実施の形態３）
本実施の形態において、実施の形態１と同じ構成については同じ符合を付し、その説明を省略する。
【００４２】
次に動作について説明する。
【００４３】
本実施の形態において、実施の形態１と異なる動作は、比例制御部５のフィードバック切替部１０は、照射指令部４よりの出力指令値であるレーザ出力のパルスデューティ成分が予め設定された値以上の場合に、差動増幅器８と加算器９の間にあるスイッチ１１を閉となしフィードバック制御を有効とし、照射指令部４よりの出力指令値であるレーザ出力のパルスデューティ成分が予め設定された値より低い場合に、差動増幅器８と加算器９の間にあるスイッチ１１を開となしフィードバック制御を無効とする点である。ここで、パルスデューティ成分が低い状態ということは、出力レーザ光６の出力期間が停止期間に比較して短いことを意味する。
【００４４】
出力レーザ光６がパルス出力での加工用途として、出力レーザ光６の出力デューティが高い場合は切断加工や溶接加工に主に使用され加工速度が比較的低く、この場合は出力レーザ光６の平均出力パワーの長時間安定性が求められるためフィードバック制御を有効とする。この理由は、比較制御部５の出力信号に発生するオーバーシュートやハンチングの加工結果への影響は加工速度が低いため無視できるからである。
【００４５】
また、出力レーザ光６の出力デューティが低い場合はスクライブ加工などに使用されることがあり、この場合はパルス出力の瞬時のピーク値が一定であることが要求されるため、フィードバック制御を無効として比較制御部５の出力信号に発生するオーバーシュートやハンチングを防止するのである。
【００４６】
以上のようにレーザ発振装置を構成することにより、出力指令値であるレーザ出力のパルスデューティ成分によらず加工用途に適した、安定した出力レーザ光を出力することができる。
【００４７】
（実施の形態４）
図２において、２０は加工ワーク、２１は加工テーブル、２２はレーザ加工トーチ、２３はサーボモータ、２４はボールネジ、２５は数値制御装置、２６はレーザ発振装置を示す。
【００４８】
以上のように構成されたレーザ加工機について、その動作を説明する。
【００４９】
加工ワーク２０を加工テーブル２１に固定する。レーザ加工トーチ２２は加工ワーク２０に対し相対的に３次元の移動を可能にする３軸の駆動手段であるサーボモータ２３とボールネジ２４によって数値制御装置２５より位置を制御される。レーザ発振装置２６より出力されたレーザ光２８は全反射ミラー２７などを経由しレーザ加工トーチ２２に導かれる。レーザ光２８はレーザ加工トーチ２２の集光レンズにより加工ワーク２０上に集光され切断加工や溶接加工、スクライブ加工などを実現する。
【００５０】
レーザ発振装置２５に、実施の形態１〜３によるレーザ発振装置を用いる。
【００５１】
以上のようにレーザ加工機を構成することにより、加工ワーク２０の材質や、加工方法によらず１台のレーザ加工機で安定した加工を行うことができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、比例制御部は照射指令部よりの出力指令値のパワー成分によって、フィードバック制御の有無を切り替えることにより、出力指令値のパワー成分によらず、安定した出力レーザ光を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１〜３における構成図
【図２】同実施の形態４における構成図
【図３】従来のレーザ発振装置における構成図
【符号の説明】
３  パワー検出部
４  照射指令部
５  比例制御部
２１  加工テーブル
２２  レーザ加工トーチ
２３  サーボモータ
２４  ボールネジ
２５  数値制御装置
２６  レーザ発振装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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