(57)【要約】【課題】  フィードバックによるレーザ出力制御に際して、メイン・プロセッサにかかる処理負担を軽減して、高速でのフィードバック制御を可能にする。【解決手段】  １個又は複数個の電源で駆動される励起源でレーザを励起し、レーザ光が出力され、パワーセンサ（フォトダイオード）で検出される。検出信号はＡＤ変換されてサブ・プロセッサ（高速ＤＳＰ）に入力される。サブ・プロセッサは、所定の周期で現在のレーザ出力と制御目標値とを比較して偏差を計算し、メイン・プロセッサから入力される指令に従って各電源に個別にフィードバック信号を送る。各電源は供給電流調整し、レーザ出力を制御する。メイン・プロセッサは電源の状態監視、冷却水循環装置の制御等を行なう。シーケンス制御の処理負担によりフィードバック制御が遅れる要因が除去され、アナログ演算回路は不要になる。フィードバック制御の周期を２００μ秒以下とすることも可能になる。【選択図】          図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器において、
該レーザ発振器の制御を行なうメイン・プロセッサからの光出力指令が入力されるサブ・プロセッサと、
該サブ・プロセッサからのデジタル信号をアナログ信号に変換し電源に入力する手段と、
出射されたレーザ光線の一部を入力し光出力アナログ信号を出力する光出力検出器と、
前記光出力アナログ信号を光出力デジタル信号に変換して前記サブ・プロセッサに入力する手段とを備え、
該サブ・プロセッサは、前記光出力指令と前記光出力デジタル信号を比較することで光出力のフィードバック制御を行なうことを特徴とする、前記レーザ発振器。
【請求項２】
前記フィードバック制御の周期が２００μ秒以下であることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ発振器。
【請求項３】
前記光出力検出器にフォトダイオードを使用したことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のレーザ発振器。
【請求項４】
前記フォトダイオードがＳｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，及びＩｎＧａＡｓの内、少なくとも何れかの材料を含むことを特徴とする、請求項３に記載のレーザ発振器。
【請求項５】
前記電源を複数個備え、
各電源に対して個別に指令可能なことを特徴とする、請求項１乃至請求項４の内、何れか１項に記載のレーザ発振器。
【請求項６】
前記メイン・プロセッサが冷却水循環装置の制御及び状態確認、電源の状態確認、その他のアラーム検出に使用されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項５の内、何れか１項に記載のレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ発振器に関し、特にレーザ出力の安定性を高めるための制御手法を備えたレーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、レーザ発振器にはレーザ光出力の安定性が望まれる。加工用レーザ発振器を例に取ると、光出力が不安定であればあるほどワークの加工状態の変化も大きくなる。切断の場合は、一部で切断されない面やドロスが極端についている部分が発生したりする。また、溶接の場合は、溶接形状が波打ったような形状になったりする。このようなことから、以前より、レーザ発振器の光出力安定性の確保に関していろいろな手法が採用されてきた。
【０００３】
レーザ発振器の光出力安定性は、特に、レーザ発振の立ち上がり時に求められることが多い。発振の立ち上がり時には、光出力の変化が速く制御が追いつかないことが問題となる。そこで、下記特許文献１に記載されているように、予めレーザ発振を起こさせて、その出力の時間的挙動を光センサで確認し、電流値をフィードフォワード指令することで所望の光出力を安定に出す方法が提案されている。しかし、フィードフォワード指令では全ての動作に対応できないため、フィードバック制御が求められる。
フィードバック制御については、下記特許文献２に記載されているように炭酸ガスレーザに適用した例がある。また、実際のレーザ光出力を検出し、それに基づいてフィードバック制御を行なうために、コンピュータ数値制御装置（ＣＮＣ）のマイクロプロセッサを利用することも公知である。  
更に、下記特許文献３あるいは特許文献４に記載されているように、光出力の一部を検出し、レーザ発振器のメイン・プロセッサにフィードバックすることで光出力の安定性を向上させる技術も公知である。図３はその例を第１の従来技術として示したものである。
【０００４】
同図に示した第１の従来技術では、レーザ（ここではＹＡＧレーザ）の出力は、レーザ出力モニタとして設けられるパワーセンサで検出され、その検出信号はＡＤ変換されてメイン・プロセッサに入力される。メイン・プロセッサは、メモリに格納されているプログラム及び設定値に基づいて、現在のレーザ出力と所定値（制御目標値）との偏差を解消するようにフィードバック指令を出力する。このフィードバック指令はＤＡ変換されて、電源に入力される。電源は、フィードバック指令に応じてレーザ励起源への供給電流調整し、それによってレーザ出力がフィードバック制御される。
【０００５】
また、メイン・プロセッサはこのようなフィードバック制御のための指令を出力する一方で、同時併行的に、ビームシャッタの制御、チラー（冷却水循環装置）の制御と状態確認、電源の状態確認、その他のアラーム検出等のシーケンス制御も実行している。そのため、メイン・プロセッサによる制御量が多くなり、数ミリ秒オーダ周期の指令、即ち数ミリ秒オーダのフィードバック制御しかできなくなるという問題がある。
【０００６】
この問題を回避するために、シーケンス制御を行うメイン・プロセッサからアナログ演算回路に出力される指令に基づき、モニタで検出した光出力をアナログ演算回路へフィードバックする方式を採用することも提案されている。図４は、その一例を第２の従来技術として示す図である。  
同図に示した第２の従来技術では、レーザ（ここではＹＡＧレーザ）の出力は、レーザ出力モニタとして設けられるパワーセンサで検出され、その検出信号は、アナログ信号のまま同検出信号を処理するアナログ回路に入力される。このアナログ回路は、現在のレーザ出力と所定値（制御目標値）とを比較して偏差を計算する演算機能を有し、メイン・プロセッサから入力される指令（ＤＡ変換された信号）に従って電源にフィードバック信号を送る。メイン・プロセッサから入力される指令には、レーザ出力の所定値（制御目標値）、偏差に乗じるゲイン等が含まれている。
【０００７】
メイン・プロセッサは、第１の従来技術と同様、同時併行的に、ビームシャッタの制御、チラー（冷却水循環装置）の制御と状態確認、電源の状態確認、その他のアラーム検出等のシーケンス制御の処理も実行しているが、上記のようなフィードバック制御では、シーケンス制御の処理負担によりフィードバック制御が遅れる要因は殆どなくなり、アナログ演算回路の応答性能が良ければ、１ミリ秒以下の高速制御も可能となる。しかし、アナログ演算回路にはフレキシビリティがなく、レーザのように状態が刻々と変化する装置の出力制御への使用はメンテナンス性が悪いという問題を発生させる。
【０００８】
【特許文献１】特許第２９１７６４２号公報
【特許文献２】特公平６−９６１９８号公報
【特許文献３】特許第２６２７０１６号公報
【特許文献４】特許第３００７８７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような問題を解決することを目的としている。即ち、本発明は、従来のレーザ出力制御において、シーケンス制御と光出力に基づくフィードバック制御の実行に伴ってメイン・プロセッサにかかっていた重い負荷を軽減し、高速フィードバック制御を可能にしたレーザ発振器を提供しようとするものである。
【００１０】
また併せて、アナログ演算回路ではできないソフトウェアによるフレキシブルな制御を可能として、レーザ装置のメンテナンス性の向上を図ったものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、レーザ発振器を制御するに当り、メイン・プロセッサからの光出力指令をサブ・プロセッサ等に入力し、光出力をサブ・プロセッサにフィードバックすることで高速化を図るものである。このサブプロセッサに高速数値演算可能なプロセッサを使用すれば、数十μ秒のフィードバックが可能となり、フィードバック制御による１ミリ秒オーダの立ち上がりを実現することができる。また、ソフトウェアの変更により容易に機能・性能の向上を図ることができるようになるため、メンテナンス性も大幅に向上するメリットが生じる。
【００１２】
より具体的に言えば、本発明に係るレーザ発振器は、該レーザ発振器の制御を行なうメイン・プロセッサからの光出力指令が入力されるサブ・プロセッサと、該サブ・プロセッサからのデジタル信号をアナログ信号に変換し電源に入力する手段と、出射されたレーザ光線の一部を入力し光出力アナログ信号を出力する光出力検出器と、前記光出力アナログ信号を光出力デジタル信号に変換して前記サブ・プロセッサに入力する手段とを備えている。そして、該サブ・プロセッサは、前記光出力指令と前記光出力デジタル信号を比較することで光出力のフィードバック制御を行なう。
【００１３】
ここで、前記フィードバック制御の周期は２００μ秒以下とすることができる。また、前記光出力検出器にはフォトダイオードを使用することができる。このフォトダイオードには、Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，及びＩｎＧａＡｓの内、少なくとも何れかの材料を含むものが採用されて良い。更に、前記電源は複数個装備しても良く、その場合、各電源に対して個別に指令可能とすることができる。そして、前記メイン・プロセッサは、冷却水循環装置の制御及び状態確認、電源の状態確認、その他のアラーム検出に使用することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、レーザ出力制御において、メイン・プロセッサによりシーケンス制御を行い、サブ・プロセッサで光出力のフィードバック制御を行うため、フィードバック制御を行うプロセッサに負荷が少なく高速フィードバック制御が可能となる。また、アナログ演算回路ではできないソフトウェアによるフレキシブルな制御が可能であるためレーザ装置のメンテナンス性が大幅に向上する。
【００１５】
パワーセンサにフォトダイオードを使用することで、フィードバック制御周期を高速化することができ、更に効果的である。  
更に、高出力レーザ発振器では、多数の電源が使用されるケースが多いが、サブ・プロセッサからこれらに個別に指令可能なようにすることで更に性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ発振器の構成を示したブロック図である。同図に示したように、レーザ（ここではＹＡＧレーザ）の出力は、レーザ出力モニタとして設けられるパワーセンサで検出され、その検出信号はＡＤ変換されてサブ・プロセッサに入力される。このサブ・プロセッサは、前述した第１の従来技術（図３参照）においてメイン・プロセッサが担っていた多くの処理の内、特に遅れのないことが望まれる処理を受け持つプロセッサで、例えば高速処理が可能なデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を用いることができる。周知のように、通常、高速プロセッサは命令を削減することで高速処理が可能となっている。
【００１７】
サブ・プロセッサは、所定の周期で現在のレーザ出力と所定値（制御目標値）とを比較して偏差を計算し、メイン・プロセッサから入力される指令に従って電源にフィードバッック信号（ＤＡ変換された信号）を送る。電源は、それに応じてレーザ励起源への供給電流調整し、レーザ出力を制御する。メイン・プロセッサから入力される指令には、レーザ出力の所定値（制御目標値）が含まれている。所定値（制御目標値）のデータは、メモリからメイン・プロセッサによって読み出される。
【００１８】
メイン・プロセッサは、電源の状態監視、チラー（冷却水循環装置）の制御と状態確認、その他のアラーム検出等のシーケンス制御の処理に使用される。換言すれば、遅くても特に支障のない処理にメイン・プロセッサを使用する。ビームシャッタのような高速性を必要とする制御については、サブ・プロセッサで受け持つことが好ましいが、メイン・プロセッサで受け持つことも可能である。
【００１９】
このように、高速処理が望まれるフィードバック制御の負担をメイン・プロセッサからサブ・プロセッサに移すことで、シーケンス制御の処理負担によりフィードバック制御が遅れる要因は殆どなくなる。しかも、前述した第２の従来技術で用いたようなアナログ演算回路は不要になり、フレキシビリティが高いソフトウェアによるフレキシブルな制御が可能となる。
【００２０】
ところで、以上述べた第１の実施形態では励起電源の個数は１個となっているが、近年のレーザ出力の向上に伴い、励起電源の個数が増加する傾向にある。それにつれ、複数個の励起電源に対して個別の指令を与えることが可能なようにシステムを組むことが望まれることも多くなっている。そこで、本発明の考え方を取り入れるとともにそのようなシステムを組んだ例を第２の実施形態として図２に示した。
【００２１】
同図に示したように、本実施形態では、レーザ（ここではＹＡＧレーザ）の励起源を駆動する電源が３個設けられている。これらの電源で励起源が駆動されると、レーザ光が出力され、レーザ出力モニタとして設けられるパワーセンサで検出される。その検出信号はＡＤ変換されてサブ・プロセッサに入力される。このサブ・プロセッサは、前述した第１の実施形態（図１参照）で用いたものと同じく、メイン・プロセッサが担っていた多くの処理の内、特に遅れのないことが望まれる処理を受け持つプロセッサで、例えば高速処理が可能なデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）が用いられる。
【００２２】
サブ・プロセッサは、所定の周期で現在のレーザ出力と所定値（制御目標値）とを比較して偏差を計算し、メイン・プロセッサから入力される指令に従って各電源に個別にフィードバック信号（ＤＡ変換された信号）を送る。各電源は、自身がそれに応じてレーザ励起源への供給電流調整し、レーザ出力を制御する。メイン・プロセッサから入力される指令には、レーザ出力の所定値（制御目標値）が含まれている。所定値（制御目標値）のデータは、メモリからメイン・プロセッサによって読み出される。
【００２３】
メイン・プロセッサは、第１の実施形態と同じく、電源の状態監視、チラー（冷却水循環装置）の制御と状態確認、その他のアラーム検出等のシーケンス制御の処理に使用される。換言すれば、遅くても特に支障のない処理にメイン・プロセッサを使用する。ビームシャッタのような高速性を必要とする制御については、サブ・プロセッサで受け持つことが好ましいが、メイン・プロセッサで受け持つことも可能である。
【００２４】
このように、本実施形態でも、高速処理が望まれるフィードバック制御の負担をメイン・プロセッサからサブ・プロセッサに移すことで、シーケンス制御の処理負担によりフィードバック制御が遅れる要因は殆どなくなる。しかも、前述した第２の従来技術で用いたようなアナログ演算回路は不要になり、フレキシビリティが高いソフトウェアによるフレキシブルな制御が可能となる。
【００２５】
上記したように、第１及び第２の実施形態では、高速処理が可能なサブ・プロセッサを導入しているが、フィードバック制御を高速化する上で、レーザ光出力をモニタするパワーセンサの応答性能も重要なファクタである。そこで、レーザ光出力をモニタするパワーセンサとしては、フォトダイオードを使用することが好ましい。フォトダイオードは多種のものが公知であり、例えばＳｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ等の材料を含むものが代表的である。これらフォトダイオードは応答性に優れ、通常、２００μ秒以下で応答するため、例えば上述した高速処理性能を持つＤＳＰと組み合わせることで、フィードバック制御の周期を２００μ秒以下とすることも可能になる。温度変化により出力を検出するサーモパイルを使用するとミリ秒オーダのフィードバックとなる可能性が高いため、使用しないことがことが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明するための図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を説明するための図である。
【図３】第１の従来技術について説明するための図である。
【図４】第２の従来技術について説明するための図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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