(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器内のレーザ媒質をパルス励起してレーザ光線を発振するレーザ発振器と、上記レーザ光線のエネルギー値を測定する測定手段とを備え、この測定手段から得られた測定値に基づいてレーザ光線の有するエネルギー値が所定値となるように制御してレーザ発振するレーザ発振方法において、
１回のパルス励起中に複数回パルス発振されるレーザ光線のうち、所定数のレーザ光線のエネルギー値を抽出して上記測定手段により測定するとともに各測定値を加算して初期エネルギー値を求め、この初期エネルギー値から当該パルス励起により発振されるレーザ光線の見込みトータルエネルギー値を予測し、その求めた見込みトータルエネルギー値に基づいて、実際に上記測定手段により測定される全てのレーザ光線のエネルギー値を加算して得られるトータルエネルギー値が予め設定された目標エネルギー値となるように励起時間を制御することを特徴とするレーザ発振方法。
【請求項２】
上記測定手段により１回のパルス励起で得られた実際のトータルエネルギー値をもとに次回の励起時間を設定することを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振方法。
【請求項３】
上記共振器内にＱスイッチ装置を配置してパルス発振させ、各パルスレーザ光線の有するエネルギー値を測定して加算する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方法。
【請求項４】
上記Ｑスイッチ装置は、レーザ媒質の励起とは非同期であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ発振方法。
【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方法に関し、より詳しくはレーザ光線をパルス発振させるレーザ発振方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来一般に、ＣＯ２レーザ発振器において、共振器内のレーザ媒質としてのＣＯ２ガスをパルス放電励起してレーザ光線をパルス発振させることは行なわれている。また、レーザ発振器にＱスイッチ装置を設けてＱスイッチパルス発振させることも行なわれている。このＱスイッチ装置としては、スリットを有するチョッパーディスクによる方式、電気光学素子を用いる方式、超音波変調器を組み込む方式等がある。
ところで、プリント基板等にビアホール加工を行なう場合などには、高ピーク、短パルス発振が可能で、ビアホール形状をシャープにし、炭化を防止することができるチョッパーディスクを用いる方式が好適である。このようなビアホール加工においては、照射されるレーザ光線の有するエネルギー値がビアホールの形状に関ってくるため、そのエネルギー値の制御が非常に重要となっている。
このため、チョッパーディスクを用いるＱスイッチ装置では、パルス放電励起の開始または終了をチョッパーディスクのスリットの通過タイミングと同期させ、また放電励起時間幅によってＱスイッチパルス発振されるレーザ光線のエネルギー値を制御する方法が提案されていた（特開平７−３０１７９号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来例では、直前のパルス放電励起の時間幅が異なると、Ｑスイッチパルス発振後に共振器内に残留する内部ゲインも異なり、その内部ゲインが消滅しないうちに再びパルス放電励起されることから、励起時間幅を正確に制御しても発振されるレーザ光線のエネルギー値を正確に制御することは難しかった。また、共振器内のガスの温度や圧力、流量等が常に変動しており設定した励起時間幅に対するエネルギー値がばらつくという問題もあった。
そこで、本発明は、直前のパルス励起の時間幅やレーザ媒質の状態に関係なく、簡単な構成で正確に当該パルス励起により発振されるレーザ光線のトータルエネルギー値を制御することができるレーザ発振方法を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１の発明では、共振器内のレーザ媒質をパルス励起してレーザ光線を発振するレーザ発振器と、上記レーザ光線のエネルギー値を測定する測定手段とを備え、この測定手段から得られた測定値に基づいてレーザ光線の有するエネルギー値が所定値となるように制御してレーザ発振するレーザ発振方法において、
１回のパルス励起中に複数回パルス発振されるレーザ光線のうち、所定数のレーザ光線のエネルギー値を抽出して上記測定手段により測定するとともに各測定値を加算して初期エネルギー値を求め、この初期エネルギー値から当該パルス励起により発振されるレーザ光線の見込みトータルエネルギー値を予測し、その求めた見込みトータルエネルギー値に基づいて、実際に上記測定手段により測定される全てのレーザ光線のエネルギー値を加算して得られるトータルエネルギー値が予め設定された目標エネルギー値となるように励起時間を制御するものである。
【０００５】
上述した発明によれば、１回のパルス励起において、その励起中に複数回測定した測定値を加算した初期エネルギー値から予測される見込みトータルエネルギー値が目標エネルギー値より大きい場合には、励起時間を短くし、また予測される見込みトータルエネルギー値が目標エネルギー値より小さい場合には、励起時間を長くして、実際に得られるトータルエネルギー値を正確に制御することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下図示実施例について説明すると、図１において、１はレーザ光線Ｌを発振させるＣＯ２レーザ発振器であり、レーザチューブ２内にレーザ媒質としてＣＯ２ガスを循環させている。
このレーザ発振器１は、レーザチューブ２の左方に設けられ、該レーザチューブ２内で放電励起（以下励起）されて発振されたレーザ光線Ｌを反射する反射鏡３と、レーザチューブ２の右方に設けられ、該レーザチューブ２内で励起されたレーザ光線Ｌを部分反射するとともにそのレーザ光線Ｌを通過させる出力鏡４と、上記反射鏡３と出力鏡４との間に配置され、出力鏡４から所定の発振周期および発振時間で断続的にレーザ光線ＬをＱスイッチパルス発振するＱスイッチ装置５とを備えており、本レーザ発振器１では、上記反射鏡３と出力鏡４とで共振器が構成されている。
上記Ｑスイッチ装置５は、レーザチューブ２と反射鏡３との間に配置され、該反射鏡３の手前でレーザ光線Ｌを集光させるテレスコープレンズ７と、図示しないフレーム上に取付け固定される駆動手段としてのスピンドルモータ８と、このスピンドルモータ８の回転軸９に一体に取付けられ、レーザ光線Ｌの焦点位置近傍に挿入される円板状のチョッパーディスク１１とを備えており、このチョッパーディスク１１の回転中心を中心とする円周上の等間隔位置にレーザ光線Ｌ上を横切った際に該レーザ光線Ｌを通過させる複数の貫通部（図示せず）を形成している。
また上記反射鏡３の左方には、該反射鏡３を通過した僅かなレーザ光線Ｌ´を検出する測定手段としてのパワーモニタ１４が設けられ、このパワーモニタ１４から測定値が後に詳述する制御装置１３に入力されることによって、出力鏡４から発振されるレーザ光線Ｌのエネルギー値を測定するようになっている。
【０００７】
上記制御装置１３には、被加工物の品種毎に異なる目標発振周期が設定されるとともに、この目標発振周期を得られるように予めスピンドルモータ８に対する回転速度を記憶させてあり、該制御装置１３は、この回転速度に従ってスピンドルモータ８を制御している。また、この制御装置１３には、被加工物の品種毎に異なる目標エネルギー値が設定されるとともに、この目標エネルギー値を得られるように予めレーザチューブ２内のレーザガスに対する放電電流、放電電圧、励起時間、ガス圧の基礎データを記憶させてある。そして、従来の制御装置１３では、上述した基礎データに従ってレーザ発振器１を制御していた。
【０００８】
しかして本実施例では、制御装置１３によりレーザ光線Ｌのエネルギー値に応じて目標エネルギー値に対するズレが小さくなるように励起時間を制御するものである。
このため、制御装置１３は、励起開始と同時にパワーモニタ１４から入力される測定値を監視し、Ｑスイッチ装置５によってパルス発振されるレーザ光線Ｌのエネルギー値を加算した初期エネルギー値から見込まれる見込みトータルエネルギー値を予測するとともに、その予測結果に基づいて放電電流、放電電圧、ガス圧を除く励起時間を増減させて目標エネルギー値に近くなるように、予測制御を行なうものである。そして、制御装置１３は、上記予測制御により実際に得られたトータルエネルギー値と目標エネルギー値を比較し、その結果に基づいて次回の励起時間を補正するフィードバック制御も同時に行なっている。
【０００９】
上述した予測制御ならびにフィードバック制御の処理について、図２のフローチャートに基づいて具体的に説明する。
先ず、オペレータが加工する対象となる被加工物を選択すると、制御装置１３は、その選択された被加工物について記憶部から該当する基礎データを抽出するとともに、その抽出した基礎データに基づいてレーザ発振器１とＱスイッチ装置５の初期設定を行なう。そして、初期設定が終了したら予測制御に移行し、先ずトリガ信号検出処理においてトリガ信号が入力されるか否かを判断する。
このトリガ信号検出処理の最中にトリガ信号が入力されると、そのことを検出した制御装置１３は、パワーモニタ１４に対してリセット信号を出力してその値を零に修正するリセット処理を行なう。
上記リセット処理を終えた制御装置１３は、次に励起処理に移行し、ここでレーザ発振器１に対して基礎データに基づいた放電電圧、放電電流、励起時間の指令を出力してビアホール加工を開始する。
【００１０】
ここでは制御装置１３は、基礎データに基づいてレーザ発振器１のレーザチューブ２内の放電電流、放電電圧、ガス圧を制御する一方で、励起開始とともにＱスイッチ装置５によりパルス発振されるレーザ光線Ｌのエネルギー出力についてパワーモニタ１４から入力される測定値の加算処理を開始する。この加算処理は、１回のパルス励起中に複数回パルス発振され、反射鏡３を通過して上記パワーモニタ１４で測定されるレーザ光線Ｌ´の全エネルギー出力を加算してトータルエネルギー値を求める一方、各回数毎に個別にエネルギー値を記憶するようになっている。なおこの加算処理は、後のトータルエネルギー値読み取り処理によって読み取られるまで他の処理と平行して行なわれる。
また制御装置１３は、上記加算処理が１回進行するたびに入力回数をカウントするパルス数カウント処理を行なっており、このパルス数カウント処理では、カウント数が５回未満の場合には再び加算処理へと戻るが、カウント数が５回に達したら次の初期エネルギー値演算処理に移行する。
この初期エネルギー値演算処理では、上記加算処理において記憶された２回目から５回目までの測定値を抽出し、それを加算して初期エネルギー値を求めている。つまりこの初期エネルギー値は、全エネルギー出力を加算して得られるトータルエネルギー値のうち、その初期のエネルギー値を抽出した値となる。そして初期エネルギー値が求まったらそれを記憶して次の励起時間補正演算処理に移行する。
【００１１】
この励起時間補正演算処理では、下記に示す計算式により励起時間Ｘを決定し、目的の目標エネルギー値を得る。
先ず、データ取りのために励起時間を２００〜６００μＳｅｃの間で１００μＳｅｃ毎として各励起時間におけるトータルエネルギー値を測定し、図３のようなグラフを作成した。そして、この結果から励起時間Ｘとトータルエネルギー値Ｙの関係式は、
Ｙ＝０．３１Ｘ＋１８．５６  …  （１−１）
となる。
上記近似式（１−１）より、目安として設定した３００μＳｅｃまでのトータルエネルギー値は１１１．５６ｍＪとなる。この値を標準値とし、例えば、実際に得られた２〜５回目の測定値を加算した初期エネルギー値が１００ｍＪだったとした場合に、この実際の初期エネルギー値より予測されるトータルエネルギー値を求める。ここでは、過去の実験結果より、ガス圧力が一定の条件において、放電電流を変えた場合の近似式は、傾きはほぼ一定であり、平行にシフトする結果が得られている。したがって、近似式をＹ＝ａＸ＋ｂとすると、ａは一定となり、ｂが変化する。
これにより、ａを一定として、ｂを求めると、
ｂ＝１００−（０．３１×３００μＳｅｃ）＝７
したがって、近似式は、
Ｙ＝０．３１Ｘ＋７  …  （１−２）
となる。
これにより、例えば目標エネルギー値が１５０ｍＪの場合には、上記近似式（１−２）より１５０ｍＪ時の励起終了時間を求めると、
Ｘ＝（１５０−７）／０．３１＝４６１
となる。
したがって、励起時間は４６１μＳｅｃであることが求まる。
このように励起時間が求まったら、次の励起時間再設定処理に移行し、それまで暫定的に設定していた３００μＳｅｃに変えて４６１μＳｅｃを励起時間として再設定する。
【００１２】
ところで、図３の実験は以下の条件で行なったものである。
本実施例では、図４に示すようにＱスイッチ装置５のパルス幅を５μＳｅｃとし、また発振周期を５０μＳｅｃ（２０ｋＨｚ）に設定するとともに、Ｑスイッチ装置５のスリットが通過するタイミング（発振周期）に対してレーザ発振器１の励起タイミングを非同期とした条件で行なったものである。
このようにレーザ発振器１の励起タイミングを非同期とすることにより、加工機側から送信されるトリガ信号の検出とほとんど同時に励起を開始させることができるので、レーザ発振器の励起タイミングをＱスイッチ装置５のスリットの通過タイミングと同期させたときのようにトリガ信号検出から励起開始タイミングまでの無駄な時間がない。また、励起終了後に共振器内に残留する内部ゲインでさらに発振を継続することにより残留内部ゲインの有効利用が可能で効率がよいものである。このことは、図４の実験結果から明らかであり、本実験では、１５０ｍＪのトータルエネルギー値を得るのに要する時間がトリガ信号検出から僅か８００μＳｅｃであった。
【００１３】
そして制御装置１３は、励起終了処理において、励起開始からの通算時間が上記４６１μＳｅｃに達しているか否か繰り返し判断し、通算時間が励起時間４６１μＳｅｃに達した時点でレーザ発振器１に対して指令を出力して励起を終了する。
ここまでの処理が予測制御であり、そして予測制御に基づいて励起を終了した後もレーザチューブ２に残留する内部ゲインによりパルス発振が継続して行なわれるが、このパルス発振が終了する時点では略目標値の１５０ｍＪ前後に落ち着くようになる（図４参照）。
【００１４】
そして、以上の励起終了処理を終えた制御装置１３は、予測制御に引き続いて次回のビアホール加工に備えてフィードバック制御に移行する。
このフィードバック制御では、先ずトータルエネルギー値読み取り処理を行なうものであり、このタイミングで励起開始からパルス発振終了まで引き続き行なっている加算処理から今回の予測制御により実際に出力されたトータルエネルギー値を読み取る。
上記フィードバック制御を行なうタイミングとしては、励起終了処理の終了時からの時間を目安としてもよいし、また前回のパルス発振から５０μＳｅｃ以上経過してもパルス発振がなかったことを目安とすればよい。
そして、このトータルエネルギー値読み取り処理においてトータルエネルギー値を読み取った制御装置１３は、次の励起時間補正処理において、トータルエネルギー値と目標エネルギー値１５０ｍＪを比較し、トータルエネルギー値が目標エネルギー値１５０ｍＪを上回っている場合には、エネルギー値の差に比例した分だけ励起時間を増減させる。例えば、今回のトータルエネルギー値が１５３ｍＪであった場合には、今回の励起時間４６１μＳｅｃから３ｍＪに相当する９μＳｅｃだけ減算して次回の励起時間が４５２μＳｅｃであることを求める。
そして、制御装置１３は次の励起時間設定書換え処理において、励起時間を３００μＳｅｃから４５２μＳｅｃに変更するものであり、次回のビアホール加工では４５２μＳｅｃを基準としてビアホール加工を行なうとともに、万一、何らかの原因により予測制御が間に合わなかったときには４５２μＳｅｃに従って制御するものである。
この励起時間書換え処理が終了した時点でフィードバック制御、つまり初回のパルス励起によるビアホール加工は終了となり、制御装置１３は、再びトリガ判定処理に戻って新たなビアホール加工に備えるようになっている。
【００１５】
以上の説明より理解されるように、本実施例では、レーザ光線Ｌのエネルギー出力が変動しても、予測制御によるレーザ発振によって目標エネルギー値に近いトータルエネルギー値を得ることができる。また、制御装置１３の予測制御によってＱスイッチ装置５の発振周期とレーザ発振器１のパルス励起の同期を考慮する必要なしに発振周期の高速化ならびにパルス励起時間の短縮を図ることができるので、従来に比較してビアホール加工に要する時間自体も短縮することができるし、同期信号発生器や遅延回路発生器を省略できるので構成を簡略化することができる。
【００１６】
なお上記実施例では、気体レーザ発振器に適用したものであるがこれに限定されるものではなく、固体レーザ発振装置であってもよい。
【００１７】
また上記実施例では、チョッパーディスク１１を備えたＱスイッチ装置５であるがこれに限定されるものではなく、電気光学素子や回転ミラーを備えたＱスイッチ装置であってもよい。
【００１８】
さらに上記実施例では、Ｑスイッチ装置５を備えたレーザ発振器１に本発明を適用していたがこれに限定されるものではなく、単にパルス励起してパルス発振させるレーザ発振器に適用してもよい。
【００１９】
またさらに上記実施例では、初期エネルギー値を求めるために２回目から５回目までの測定値を加算していたがこれに限定されるものではなく、なるべくパルス励起の初期の段階で測定するようにすればよい。なお１回目のパルス発振は、Ｑスイッチ装置５のスリット通過に対する励起開始のズレにより若干変動するが、その変動はごく僅かなので１回目の測定値を加算することに関して問題はない。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、予測制御によるレーザ発振により従来のレーザ発振方法に比較して目標エネルギー値に近いトータルエネルギー値を得ることができるし、また非同期制御とすることにより従来に比較して加工時間を短縮することができるとともにレーザ発振器自体の構成を簡略化することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すレーザ発振器１の配置図。
【図２】制御装置１３の予測制御ならびにフィードバック制御を示すフローチャート。
【図３】放電電圧、放電電流、ガス圧力を固定し、励起時間を変化させた場合のエネルギー出力の特性を測定した実験結果を示すグラフ。
【図４】本発明の実施例の予測制御で得られたレーザ光線のエネルギー出力およびこれに係る各種信号の時間挙動を測定したグラフ。
【符号の説明】
１…レーザ発振器              ２…レーザチューブ
１３…制御装置                １４…パワーモニタ
Ｌ…レーザ光線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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