(57)【要約】【課題】高反射材料切断時においても、安定したレーザ出力を維持でき、安定した切断を実現するレーザ発振装置を提供する。【解決手段】本発明のレーザ発振装置は、レーザ媒質を挟んだ一対の反射鏡と、レーザ媒質への励起エネルギー印加手段と、少なくとも一方の反射鏡部に備えたレーザ光検出手段と、前記レーザ光検出手段の出力値に応じて励起エネルギーを可変するパワーフィードバック制御を備え、前記パワーフィードバック制御において、励起エネルギー変更量があらかじめ設定した基準値以内である場合のみ変更を行い、基準値から外れる場合は変更を行わない制御を備えたことを特徴とする。【選択図】図２
2016021540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ媒質を挟んだ一対の反射鏡と、レーザ媒質への励起エネルギー印加手段と、少なくとも一方の反射鏡部に備えたレーザ光検出手段と、前記レーザ光検出手段の出力値に応じて励起エネルギーを可変するパワーフィードバック制御を備え、
前記パワーフィードバック制御において、励起エネルギー変更量があらかじめ設定した基準値以内である場合のみ変更を行い、基準値から外れる場合は変更を行わない制御を備えたことを特徴とするレーザ発振装置。
【請求項２】
前記レーザ媒質はレーザガスであり、レーザ媒質への励起エネルギーは放電であり、
励起エネルギー変更量は、放電電流値に対応した指令電圧であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として板金等の加工用途に用いられるｋＷクラスのレーザ発振装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。応用範囲の拡大に伴い、要求されるレーザ出力はますます大きくなるとともに、高いレベルでのレーザ出力の安定性も要求されている。
【０００３】
この課題に対する従来技術の一例を図を用いて説明する。
【０００４】
図３は従来のガスレーザ発振装置の構成図である。本図において、レーザ共振器２０１は、レーザ媒質を励起して出力レーザ光２０６を出力すると共に検出レーザ光２０７をパワー検出部２０３に出力する。２０２は高電圧電源部２０２は、加算器２０９からの出力を受け高電圧をレーザ共振器２０１に出力する。パワー検出部２０３から出力レーザ光２０６に比例した電圧が差動増幅器２０８に出力される。
【０００５】
比較制御部２０５は、差動増幅器２０８と加算器２０９とから構成される。差動増幅器２０８は照射指令部２０４からの出力指令値とパワー検出部２０３からの電圧を入力し、加算器２０９に出力する。加算器２０９は照射指令部２０４と差動増幅器２０８とからの出力を入力し、高電圧電源部２０２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２０１に高電圧電源部２０２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２０１の出力鏡より、出力レーザ光２０６が照射される。
【０００８】
一方、レーザ共振器２０１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２０６に比例した検出レーザ光２０７が取り出される。
【０００９】
検出レーザ光２０７はパワー検出部２０３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２０６に比例した電圧に変換され、パワー検出部２０３から比較制御部２０５に出力される。
【００１０】
比較制御部２０５では、照射指令部２０４よりの所定レーザ光の出力指令値とパワー検出部２０３の出力電圧が差動増幅器２０８に入力されて偏差信号を得た後に、加算器２０９で差動増幅器２０８からの偏差信号と照射指令部２０４からの出力指令値とが加算され、高電圧電源部２０２に出力される。
【００１１】
この比較制御部２０５の出力信号により、高電圧電源２０２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２０１を制御して、出力レーザ光２０６の出力パワーをほぼ一定に保つ（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−２３７６３８号公報
【特許文献２】特開２００８−２１２９７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来技術に係るレーザ発振装置では、下記課題を有している。
【００１４】
高反射材料を切断する際に、ワーク表面からの反射光がレーザ発振装置の共振器を構成する部分反射鏡を介して共振器内に戻ってくることがある。この反射光がパワー検出部（レーザ光検出装置）に侵入することで、レーザ光の誤検出が発生し、パワーフィードバック制御が乱されることになる。具体的には所定のレーザ出力よりも多いレーザ出力が出ていると誤判断し、放電の指令電圧を下げるため、レーザ出力が下げられ、レーザ加工不良が発生する。
【００１５】
本不具合を解決し、高反射材料を安定して切断することが、大きな課題となっていた。
【００１６】
そこで本発明は、高反射材料切断時においても、安定したレーザ出力を維持でき、安定した切断を実現することができるレーザ発振装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ発振装置は、レーザ媒質を挟んだ一対の反射鏡と、レーザ媒質への励起エネルギー印加手段と、少なくとも一方の反射鏡部に備えたレーザ光検出手段と、前記レーザ光検出手段の出力値に応じて励起エネルギーを可変するパワーフィードバック制御を備え、前記パワーフィードバック制御において、励起エネルギー変更量があらかじめ設定した基準値以内である場合のみ変更を行い、基準値から外れる場合は変更を行わない制御を備えたことを特徴とするものである。
【００１８】
また好ましくは、前記レーザ媒質はレーザガスであり、レーザ媒質への励起エネルギーは放電であり、励起エネルギー変更量は、放電電流値に対応した指令電圧であることを特徴とするレーザ発振装置である。
【発明の効果】
【００１９】
上記の構成により、本発明に係るレーザ発振装置では、パワーフィードバック制御において、励起エネルギー変更量があらかじめ設定した基準値から外れる場合は変更を行わないアルゴリズムを具備したことで、パワーフィードバック制御のアルゴリズムの工夫だけで、高反射材料、たとえばアルミやステンレスのみがき材を切断する際、あるいは通常の軟鋼みがき材であってもマーキングや溶接などレーザ光の反射が多く発生する場合の加工において、安定した加工を実現できるので、高反射材料切断時においても、安定したレーザ出力を維持でき、安定した切断を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ発振装置の構成図
【図２】本発明の実施形態に係るレーザ発振装置のパワーフィードバック制御のフローチャート
【図３】従来のガスレーザ発振装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。
【００２２】
（実施の形態１）
＜レーザ発振装置の主要構成＞
図１は本発明の実施形態に係るレーザ発振装置の構成図である。
【００２３】
ガスレーザ発振装置１００は、放電管１０１、電極１０２、１０３、電源１０４、全反射鏡１０６、部分反射鏡１０７、レーザガス流路１１０、熱交換器１１１、１１２、送風機１１３、およびレーザガス導入部１１４を備えている。
【００２４】
放電部である放電管１０１は、ガラスなどの誘電体により形成されている。電極１０２と電極１０３とは放電管１０１周辺に設けられ、電極１０２、１０３には電源１０４が接続される。そして、電極１０２と電極１０３との間に挟まれた放電管１０１内に、放電空間１０５が形成される。全反射鏡１０６と部分反射鏡１０７とは放電空間１０５の両端に固定配置され、光共振器を形成している。レーザビーム１０８は、部分反射鏡１０７より出力される。
【００２５】
レーザガス流１０９は、ガスレーザ発振装置１００の中のレーザガス流路１１０の循環を示す。熱交換器１１１および熱交換器１１２は、放電空間１０５における放電と送風手段の運転とにより温度上昇したレーザガスの温度を下げる。送風機１１３は、レーザガスを循環させる。
【００２６】
このようにレーザガス流路１１０は、前記放電管１０１と前記送風機１１３との間のレーザガスの循環流路を形成する。前記送風機１１３により前記放電空間１０５にて約１００ｍ／秒程度のガス流が得られる。レーザガス流路１１０と放電管１０１とは、レーザガス導入部１１４において接続されている。
【００２７】
＜レーザ発振装置の基本動作＞
以上のように構成された本発明のレーザ発振装置の動作について図面を用いて説明する。
【００２８】
送風機１１３より送り出されたレーザガスは、レーザガス流路１１０を通り、レーザガス導入部１１４より放電管１０１内へ導入される。この状態で、電源１０４に接続された電極１０２、１０３から放電空間１０５に放電を発生させる。
【００２９】
放電空間１０５内のレーザ媒体であるレーザガスは、この放電エネルギーを得て励起される。励起されたレーザガスは全反射鏡１０６、および部分反射鏡１０７により形成された光共振器において共振状態となり、部分反射鏡１０７からレーザビーム１０８が出力される。レーザビーム１０８が、レーザ加工等の用途に用いられる。
【００３０】
放電が安定していれば、光増幅、すなわちゲインが安定し、質の高いレーザビームが得られる。このレーザビーム１０８がレーザ加工等の用途に用いられる。
【００３１】
電源１０４は放電制御装置１１５に接続されている。全反射鏡１０６は厳密には０．５％程度のレーザ光を透過するようになっており、レーザ光検出装置１１６にてレーザ出力を検知する。検出したレーザ出力に応じて、放電の指令電圧を変更し、所定のレーザ出力になるようにパワーフィードバック制御がなされている。
【００３２】
＜レーザ発振装置のパワーフィードバック制御の動作＞
本発明の動作をフローチャートを用いて更に詳細に説明する。図２は本発明の実施形態に係るレーザ発振装置のパワーフィードバック制御のフローチャートである。ここではガスレーザにおける放電制御を例として、放電電流値に対応した指令電圧を可変することで、レーザ出力の制御を行っているとする。
【００３３】
先ず、とくに高反射でない材料、例えば磨きなどの表面加工のされていない鋼板等の材料をレーザ加工する場合の動作について説明する。
【００３４】
レーザ発振装置１００は、放電制御装置１１５より指令される指令電圧にてレーザ発振がなされる。最初は、予め設定された指令電圧にてレーザ発振がなされる（Ｓ０１）。全反射鏡より０．５％程度とりだされたレーザ光は、レーザ光検出装置にて検出され（Ｓ０２）、その値に応じてレーザ出力が導出される（Ｓ０３）。
【００３５】
導出されたレーザ出力は、レーザ加工条件に基いて決められた設定値と比較され（Ｓ０４）、設定値より大きければ（Ｓ０５）、現在の指令電圧を下げる指令電圧ＤＯＷＮ量が算出され（Ｓ０６）、設定値より小さければ（Ｓ０７）、現在の指令電圧を上げる指令電圧ＵＰ量が算出される（Ｓ０８）。
【００３６】
算出された指令電圧ＤＯＷＮ量または指令電圧ＵＰ量、即ち指令電圧の変更量を、予め設定した基準値と比較する（Ｓ０９）。通常のワーク切断であれば、反射で戻ってくるレーザ光も少なく、レーザ光検出装置１１６が検知するレーザ出力は、実際の出力強度を反映したものになっている。特に、問題なければ、変更量は基準値以内となるので（Ｓ１０）、算出した指令電圧ＤＯＷＮ量または指令電圧ＵＰ量に基いて、指令電圧が変更され（Ｓ１１）、変更された指令電圧が、レーザ発振のための予め設定された指令電圧に置き換わり確定する（Ｓ１３）。確定した指令電圧に応じて、レーザ発振がなされる（Ｓ０１に戻る）。
【００３７】
上記一連のレーザパワーフィードバック制御の周期は数１０ｍｓのサイクルで繰り返される。このサイクルによって、レーザ発振装置１００のレーザ出力は常に設定値と等しくなるように安定する。
【００３８】
しかしながら、高反射材料、たとえばアルミやステンレスのみがき材を切断する際、あるいは通常の軟鋼みがき材であってもマーキングや溶接などレーザ光の反射が多く発生する場合には、ワークから光共振器へ戻ってくる反射光をレーザ光検出装置が検出し、パワーフィードバック制御が乱されることになる。
【００３９】
次に、例示したような高反射材料をレーザ加工する場合のレーザパワーフィードバック制御動作を、同じく図２を用いて説明する。
【００４０】
レーザ発振装置１００は、放電制御装置１１５より指令される指令電圧にてレーザ発振がなされる。最初は、予め設定された指令電圧にてレーザ発振がなされる（Ｓ０１）。全反射鏡より０．５％程度とりだされたレーザ光は、レーザ光検出装置にて検出され（Ｓ０２）、その値に応じてレーザ出力が導出される（Ｓ０３）。
【００４１】
導出されたレーザ出力は、レーザ加工条件に基いて決められた設定値と比較され（Ｓ０４）、設定値より大きければ（Ｓ０５）、現在の指令電圧を下げる指令電圧ＤＯＷＮ量が算出され（Ｓ０６）、設定値より小さければ（Ｓ０７）、現在の指令電圧を上げる指令電圧ＵＰ量が算出される（Ｓ０８）。
【００４２】
ここまでは上述のルーチンと同じである。算出された指令電圧ＤＯＷＮ量または指令電圧ＵＰ量、即ち指令電圧の変更量を、予め設定した基準値と比較する（Ｓ０９）。変更量が基準値より小さければ（Ｓ１０のＹＥＳ）、上述と同様に指令電圧を変更するが（Ｓ１１）、基準より大きい場合には（Ｓ１０のＮＯ）、変更は行わず指令電圧を維持する（Ｓ１２）。指令値が変更された場合も指令値が維持された場合も、レーザ発振のための予め設定された指令電圧に置き換わり確定する（Ｓ１３）。確定した指令電圧に応じて、レーザ発振がなされる（Ｓ０１に戻る）。
【００４３】
高反射材切断等でのレーザ光反射光が光共振器に戻ってきた場合、戻り光が光共振空間で増幅された後にレーザ光検出装置１１６に入るため、通常よりも１．５〜２倍以上の光量を検出することになる。この情報でそのままパワーフィードバック制御を行うと、指令電圧を５０〜１００％の比率で変える（下げる）ことになってしまう。仮にワークに照射しているレーザ出力が４０００Ｗとすると、パワーフィードバックの誤動作により、レーザ出力が２０００〜３０００Ｗ程度に抑制され、出力不足により加工不良が発生することになる。
【００４４】
しかし本発明によるパワーフィードバック制御では、指令電圧の変更量と比較する基準値と設定しておくことで、指令電圧の変更量を、たとえば２０％以内に制限をかけ、反射光による誤制御を防止することが出来る。通常行われるパワーフィードバック制御では、数１０ｍｓの１周期あたりでの指令電圧変更は５〜１０％程度に留まるため、仮に指令電圧変更量の基準を出力総量の２０％に設定すれば、充分に機能を果たすことが出来る。
【００４５】
以上に述べたように、本実施の形態のレーザ発振装置によれば、パワーフィードバック制御において、励起エネルギー変更量があらかじめ設定した基準値から外れる場合は変更を行わないアルゴリズムを具備したことで、パワーフィードバック制御のアルゴリズムの工夫だけで、高反射材料、たとえばアルミやステンレスのみがき材を切断する際、あるいは通常の軟鋼みがき材であってもマーキングや溶接などレーザ光の反射が多く発生する場合の加工において、安定した加工を実現できるので、高反射材料切断時においても、安定したレーザ出力を維持でき、安定した切断を実現することができる。
【００４６】
なお、ワークからの反射光の影響を防止するための従来発明として、光波形自体を基準波形と比較し、基準波形に近づけるように制御をするというものもあるが（例えば特許文献２を参照）、本発明に比べると構成が複雑になり、実用面で実現性に乏しいと考えられる。本発明は制御のアルゴリズムだけで対処でき、すでにある従来技術に対して格別の効果を奏するものである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明にかかるレーザ発振装置は、高反射材料切断時においても、安定したレーザ出力を維持でき、安定した切断を実現することができるものであり、主として板金等の加工用途に用いられるｋＷクラスのレーザ発振装置等において有用である。
【符号の説明】
【００４８】
１００    レーザ発振装置
１０１    放電管
１０２    電極
１０３    電極
１０４    電源
１０５    放電空間
１０６    全反射鏡
１０７    部分反射鏡
１０８    レーザビーム
１０９    レーザガスの流れる方向
１１０    レーザガス流路
１１１    熱交換器
１１２    熱交換器
１１３    送風機
１１４    レーザガス導入部
１１５    放電制御装置
１１６    レーザ光検出装置
【図１】
2016021540.tif 000003
【図２】
2016021540.tif 000004
【図３】
2016021540.tif 000005