(57)【要約】【課題】レーザ出力を基準波形に一致させることが出来るレーザ発振器の出力補正方法を提供することを目的とする。【解決手段】励起用ランプ（１）を駆動する投入電流駆動回路（１３）に入力する電流信号：Ｉ（ｎ）を、基準光量値：Ｌｓ（ｎ）とレーザ出力光量値：Ｌｂ（ｎ）との差に応じた量：ΔＰ（ｎ）と、積算基準光量値：ΣＬｂ（ｎ）と積算レーザ出力光量値：ΣＬｓ（ｎ）の差に応じた量：ΔＪ（ｎ）と、あらかじめ定めた形状の基準電流値：Ｉｓ（ｎ＋１）に基づいて演算することを特徴とする。【選択図】図１
2009278023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投入電流駆動回路によってレーザ発振器の励起用ランプを駆動し、
前記投入電流駆動回路から前記励起用ランプへの投入電流に応じて発生したレーザ出力を、前もって用意したレーザ基準波形と比較して、その差に応じた電流信号：Ｉ（ｎ）を投入電流駆動回路にフィードバックしてレーザ出力を安定化するに際し、
電流信号：Ｉ（ｎ）を、
基準光量値：Ｌｓ（ｎ）とレーザ出力光量値：Ｌｂ（ｎ）との差に応じた量：ΔＰ（ｎ）と、
積算基準光量値：ΣＬｂ（ｎ）と積算レーザ出力光量値：ΣＬｓ（ｎ）の差に応じた量：ΔＪ（ｎ）と、
あらかじめ定めた形状の基準電流値：Ｉｓ（ｎ＋１）
に基づいて演算する
レーザ発振器の出力補正方法。
【請求項２】
前記電流信号：Ｉ（ｎ）が、
Ｉｓ（ｎ）・［１＋ΔＰ（ｎ−１）＋｛ΔＩ（ｎ−１）・ｎ／Ｎ｝］
但し、
ｎ：フィードバックのステップ番号（０，１，２，３，４，・・・・Ｎ）
Ｎ：レーザ出力のパルス幅／フィードバックのサイクルタイム
Ｉｓ（ｎ）：あらかじめ定めた形状のパルス電流
ΔＰ（ｎ）：｛Ｌｓ（ｎ）−Ｌｂ（ｎ）｝・Ｇｐ／基準光量値（ｎ）
ΔＪ（ｎ）：｛ΣＬｂ（ｎ）−ΣＬｓ（ｎ）｝・Ｇｊ／積算基準光量値（ｎ）
Ｇｐ：あらかじめ定めたゲインで定数
Ｇｊ：あらかじめ定めたゲインで定数
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の出力補正方法。
【請求項３】
基準光量波形：Ｌｓ（ｎ）を、実測定したレーザ出力の平均波形としたことを特徴とする
請求項１または請求項２に記載のレーザ発振器の出力補正方法。
【請求項４】
投入電流駆動回路から励起用ランプへの投入電流に応じてレーザを発するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器のレーザ出力を被加工物に導く光学系と、
前記レーザ出力の一部を測定するレーザ出力測定系と、
前記レーザ出力測定系によって得られたデータを元に前記励起用ランプへの投入電流を制御する電流信号：Ｉ（ｎ）を前記投入電流駆動回路へ指示してレーザ出力を安定化する制御部と
を設け、前記制御部を、
基準光量値：Ｌｓ（ｎ）とレーザ出力光量値：Ｌｂ（ｎ）との差に応じた量：ΔＰ（ｎ）と、
積算基準光量値：ΣＬｂ（ｎ）と積算レーザ出力光量値：ΣＬｓ（ｎ）の差に応じた量：ΔＪ（ｎ）と、
あらかじめ定めた形状の基準電流値：Ｉｓ（ｎ＋１）
に基づいて、前記電流信号：Ｉ（ｎ）を演算するように構成した
レーザ加工装置。
【請求項５】
前記電流信号：Ｉ（ｎ）が、
Ｉｓ（ｎ）・［１＋ΔＰ（ｎ−１）＋｛ΔＩ（ｎ−１）・ｎ／Ｎ｝］
但し、
ｎ：フィードバックのステップ番号（０，１，２，３，４，・・・・Ｎ）
Ｎ：レーザ出力のパルス幅／フィードバックのサイクルタイム
Ｉｓ（ｎ）：あらかじめ定めた形状のパルス電流
ΔＰ（ｎ）：｛Ｌｓ（ｎ）−Ｌｂ（ｎ）｝・Ｇｐ／基準光量値（ｎ）
ΔＪ（ｎ）：｛ΣＬｂ（ｎ）−ΣＬｓ（ｎ）｝・Ｇｊ／積算基準光量値（ｎ）
Ｇｐ：あらかじめ定めたゲインで定数
Ｇｊ：あらかじめ定めたゲインで定数
であることを特徴とする
請求項４に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記基準光量波形：Ｌｓ（ｎ）を、実測定したレーザ出力の平均波形としたことを特徴とする
請求項４または請求項５に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
レーザ出力を利用する溶接機やその他の加工装置に関係し、特に光励起式レーザ出力の安定化を図るレーザ発振器の出力補正方法およびレーザ加工装置に関係する。
【背景技術】
【０００２】
近年は多くの製品がレーザ加工装置を使って作られている。切断はもちろん接合にも重要な機器として重用されている。特に溶接の分野では自動化が容易で多用されている。
最近では部品が小さく精密になり均一で確実な溶接が要求されている。
【０００３】
そのようなレーザ溶接にはＹＡＧパルスレーザがよく用いられていて、レーザパルス出力の安定化に工夫がされてきた。ＹＡＧレーザの場合、連続発振したときと単発でのレーザ出力は異なることが多く不安定である。これはレーザロッドの温度ならびに不均一な温度分布とそれによるロッドの変形などが原因であるとされている。また励起ランプの劣化による励起光の変化などもレーザ出力を不安定にする要因である。レーザ溶接では溶接部の溶融が始まると急激にレーザ光の吸収が変化するためにレーザ出力立ち上がりの制御に加えて均一な溶接のためにトータルエネルギの制御が大切である。レーザ出力の安定化に一般的によくなされているのはレーザ出力を測定し所望のレーザ波形を得るために励起用ランプへの投入電流を制御する方法である。
【０００４】
従来のレーザ発振器は、特許文献１に示されるような出力補正方法によりレーザ出力を安定化させている。特許文献１について図５を用いて説明する。
レーザ発振器４０の励起用ランプ１で発生した光は、レーザーロッド２によって増幅されて、ハーフミラー３で反射されたレーザ光ＬＢは、集光レンズ１７によって光ファイバーケーブル１８に入力される。レーザ光は光ファイバーケーブル１８により被加工物１９の近くまで送られた後、集光レンズを備えた出射ユニット２０を介して被加工物１９に集光される。
【０００５】
また、レーザ光ＬＢは、ハーフミラー３を介してその０．０１％が光センサ４１に入力され、レーザ出力検出回路４２によりレーザ出力検出電圧ＥＬに変換される。比較回路４３では、あらかじめ設定しておいた基準波形信号ＷＳとレーザ出力電圧ＥＬを比較し、その差に比例した誤差電圧ＥＶ＋（ＥＶ−）を発生する。
【０００６】
ＥＶ  ∝  ＷＳ−ＥＬ
誤差電圧ＥＶ＋（ＥＶ−）は、演算増幅器からなるドライブ回路４４を介してランプ電流供給回路４５に与えられる。そして、ランプ電流供給回路４５においては、誤差電圧ＥＶ＋（ＥＶ−）に応じたランプ電流ＤＩが発生する。すなわち、正の誤差電圧ＥＶ＋に対してはランプ電流ＤＩを増大させ、負の誤差電圧ＥＶ−に対しては逆にランプ電流ＤＩを減少させる。
【０００７】
このようにして、フィードバックループによってレーザ出力を基準波形信号に追従するように制御している。
【特許文献１】特公平５−５６２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、被加工物１９に作用するレーザパルスのトータルエネルギが、図６（ａ）に示す所望のトータルエネルギ波形に一致するように、図６（ｂ）（ｃ）に示すように＋補正または−補正して図６（ａ）に示す所望のトータルエネルギ波形に一致させようとしても、実際はレーザ出力は励起用ランプへの電流信号よりも遅延するため、図４（ａ）に示すように所望のトータルエネルギのレーザパルス出力を得ることができないのが現状である。
【０００９】
本発明は、レーザ出力を基準波形に一致させることが出来るレーザ発振器の出力補正方法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】
【００１０】
本発明の請求項１記載のレーザ発振器の出力補正方法は、投入電流駆動回路によってレーザ発振器の励起用ランプを駆動し、前記投入電流駆動回路から前記励起用ランプへの投入電流に応じて発生したレーザ出力を、前もって用意したレーザ基準波形と比較して、その差に応じた電流信号：Ｉ（ｎ）を投入電流駆動回路にフィードバックしてレーザ出力を安定化するに際し、電流信号：Ｉ（ｎ）を、
基準光量値：Ｌｓ（ｎ）とレーザ出力光量値：Ｌｂ（ｎ）との差に応じた量：ΔＰ（ｎ）と、積算基準光量値：ΣＬｂ（ｎ）と積算レーザ出力光量値：ΣＬｓ（ｎ）の差に応じた量：ΔＪ（ｎ）と、あらかじめ定めた形状の基準電流値：Ｉｓ（ｎ＋１）に基づいて演算することを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項２記載のレーザ発振器の出力補正方法は、請求項１において、前記電流信号：Ｉ（ｎ）が、
Ｉｓ（ｎ）・［１＋ΔＰ（ｎ−１）＋｛ΔＩ（ｎ−１）・ｎ／Ｎ｝］
但し、
ｎ：フィードバックのステップ番号（０，１，２，３，４，・・・・Ｎ）
Ｎ：レーザ出力のパルス幅／フィードバックのサイクルタイム
Ｉｓ（ｎ）：あらかじめ定めた形状のパルス電流
ΔＰ（ｎ）：｛Ｌｓ（ｎ）−Ｌｂ（ｎ）｝・Ｇｐ／基準光量値（ｎ）
ΔＪ（ｎ）：｛ΣＬｂ（ｎ）−ΣＬｓ（ｎ）｝・Ｇｊ／積算基準光量値（ｎ）
Ｇｐ：あらかじめ定めたゲインで定数
Ｇｊ：あらかじめ定めたゲインで定数
であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項３記載のレーザ発振器の出力補正方法は、請求項１または請求項２において、前記基準光量波形：Ｌｓ（ｎ）を、実測定したレーザ出力の平均波形としたことを特徴とする。
本発明の請求項４記載のレーザ加工装置は、投入電流駆動回路から励起用ランプへの投入電流に応じてレーザを発するレーザ発振器と、前記レーザ発振器のレーザ出力を被加工物に導く光学系と、前記レーザ出力の一部を測定するレーザ出力測定系と、前記レーザ出力測定系によって得られたデータ：Ｌｂ（ｎ）を元に前記励起用ランプへの投入電流を制御する電流信号：Ｉ（ｎ）を前記投入電流駆動回路へ指示してレーザ出力を安定化する制御部とを設け、前記制御部を、基準光量値：Ｌｓ（ｎ）とレーザ出力光量値：Ｌｂ（ｎ）との差に応じた量：ΔＰ（ｎ）と、積算基準光量値：ΣＬｂ（ｎ）と積算レーザ出力光量値：ΣＬｓ（ｎ）の差に応じた量：ΔＪ（ｎ）と、あらかじめ定めた形状の基準電流値：Ｉｓ（ｎ＋１）に基づいて、前記電流信号：Ｉ（ｎ）を演算するように構成したことを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項５記載のレーザ加工装置は、請求項４において、前記電流信号：Ｉ（ｎ）が、
Ｉｓ（ｎ）・［１＋ΔＰ（ｎ−１）＋｛ΔＩ（ｎ−１）・ｎ／Ｎ｝］
但し、
ｎ：フィードバックのステップ番号（０，１，２，３，４，・・・・Ｎ）
Ｎ：レーザ出力のパルス幅／フィードバックのサイクルタイム
Ｉｓ（ｎ）：あらかじめ定めた形状のパルス電流
ΔＰ（ｎ）：｛Ｌｓ（ｎ）−Ｌｂ（ｎ）｝・Ｇｐ／基準光量値（ｎ）
ΔＪ（ｎ）：｛ΣＬｂ（ｎ）−ΣＬｓ（ｎ）｝・Ｇｊ／積算基準光量値（ｎ）
Ｇｐ：あらかじめ定めたゲインで定数
Ｇｊ：あらかじめ定めたゲインで定数
であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項６記載のレーザ加工装置は、請求項４または請求項５において、前記基準光量波形：Ｌｓ（ｎ）を、実測定したレーザ出力の平均波形としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
この構成によると、溶接に大切なレーザ出力の立ち上がりと同時にトータルエネルギを従来になく安定化できる。そのためこの補正方法を使ったレーザ溶接機は品質の良好な溶接を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明のレーザ発振器の出力補正方法を具体的な実施の形態に基づいて説明する。
図１は本発明のレーザ発振器の出力補正方法を採用したレーザ加工装置を示す。
【００１７】
このレーザ加工装置は、レーザ発振器１４と、レーザ発振器１４のレーザ出力ＬＢを被加工物１９に導く光学系と、レーザ出力ＬＢの一部を測定するレーザ出力測定系と、レーザ出力測定系によって得られたデータを元に励起用ランプ１への投入電流を制御する電流信号：Ｉ（ｎ）を投入電流駆動回路１３へ指示してレーザ出力ＬＢを安定化する制御部１５とで構成されている。
【００１８】
レーザ発振器１４のレーザ出力ＬＢを被加工物１９に導く光学系は、次のように構成されている。
電源１６から投入電流駆動回路１３を介して駆動されている。レーザ発振器１４の励起用ランプ１で発生した光は、レーザーロッド２によって増幅されて、ハーフ１８に入力される。レーザ光は光ファイバーケーブル１８により被加工物１９の近くまで送られた後、集光レンズを備えた出射ユニット２０を介して被加工物１９に集光される。被加工物は１９ＮＣ制御によるモータ駆動のテーブルに固定されており、レーザパルス出力に同期して被加工物１９を動かすことで溶接を行う。
【００１９】
レーザ出力測定系は、ハーフミラー３を通過して光センサ４に入力されたレーザ光が、レーザ出力検出回路５でレーザ出力光量値に変換され制御部１５に入力されるように構成されている。
【００２０】
制御部１５は、マイクロプロセッサ回路とプログラムにより構成されており、フィードバック演算をサイクリックに行うことでその機能を実現している。具体的には、この制御装部１５は、次のように構成されている。
【００２１】
制御部１５は、先ず、前もって設定されている基準電流波形テーブル１１の出力に従って制御部１５から投入電流駆動回路１３に電流信号Ｉを出力する。
これによって投入電流駆動回路１３では、電流信号Ｉに従って励起用ランプ１に電流ＤＩを投入し、レーザロッド２でレーザ出力ＬＢを発生させる。レーザ出力ＬＢの一部（０．０１％）は、ハーフミラー３を介して光センサ４に入力され、レーザ出力光量検出回路５でレーザ光の強度に比例したレーザ出力光量Ｌｂに変換される。
【００２２】
制御部１５の比較演算部７では、レーザ出力光量検出回路５からのレーザ出力光量Ｌｂと、前もって設定されている基準光量波形テーブル６から参照した基準光量Ｌｓとの差から光量補正量ΔＰ
ΔＰ＝（Ｌｓ−Ｌｂ）／Ｌｓ
を算出する。つまり、レーザ出力光量が基準光量より小さい場合は正の補正量になり、大きい場合は負の補正量になる。
【００２３】
制御部１５の積算演算部８と積算演算部９では、基準光量Ｌｓとレーザ出力光量Ｌｂをそれぞれ積算することで基準エネルギΣＬｓと出力エネルギΣＬｂを算出する。
制御部１５の比較演算部１０では、エネルギ補正量ΔＪ
ΔＪ＝（ΣＬｓ−ΣＬｂ）／ΣＬｓ
を算出する。つまり、出力エネルギが基準エネルギより小さい場合は正の補正量になり、大きい場合は負の補正量になる。
【００２４】
制御部１５の関数演算部１２では、基準電流波形テーブル１１を光量補正量ΔＰとエネルギ補正量ΔＪの２つの補正量により増減して電流信号Ｉとして出力する。すなわち、レーザ出力光量と出力エネルギの両方が基準光量波形に追従するように電流信号Ｉを増減させることにより、励起用ランプへの投入電流ＤＩを増減させ、レーザ出力ＬＢを安定させる。
【００２５】
制御部１５によるフィードバック演算のサイクルタイムは、レーザのパルス幅に対して十分短い周期で行う必要があり、この実施の形態では、５ｍｓ幅のレーザパルスを５０ステップに分割しサイクルタイム０．１ｍｓ毎にフィードバック演算している。また、レーザ出力光量Ｌｂ、基準光量Ｌｓ、基準電流Ｉｓ、電流信号Ｉは、サイクルタイム毎に量子化された値Ｌｂ（ｎ）、Ｌｓ（ｎ）、Ｉｓ（ｎ）、Ｉ（ｎ）として演算している。
【００２６】
Ｌｂ（ｎ）：レーザ出力光量値
Ｌｓ（ｎ）：基準光量値
Ｉｓ（ｎ）：基準電流値
Ｉ（ｎ）：電流信号値
Ｔｎ：パルス幅（５ｍｓ）
ｎ：ステップ番号（０〜５０）
Ｎ：最大ステップ番号（５０）Ｎ＝Ｔｎ／Ｔｃ
Ｔｃ：サイクルタイム（０．１ｍｓ）
基準電流波形テーブル１１は、図２（ａ）のように横軸を時間、縦軸を電流とした波形で、被加工物１９に応じて前もって設定する。実際には図３の基準電流値Ｉｓ（ｎ）のように、ステップ番号ｎに対応したデータテーブルとして設定している。
【００２７】
基準光量波形テーブル６は、図２（ｂ）のように横軸を時間、縦軸を光量とした波形で、所望するレーザ出力波形を前もって設定する。実際には図３の基準光量値Ｌｓ（ｎ）のように、ステップ番号ｎに対応したデータテーブルとして設定している。
【００２８】
基準光量波形テーブル６は、レーザ出力波形を測定器により測定したり、基準電流波形テーブル１１の出力から演算したりすることで求めることもできるが、ここではより精度の高い基準光量波形を得るために、実際のレーザ出力波形のＬｂ（ｎ）を、平均波形演算部２１によって自動的に計測・平均化し生成している。
【００２９】
制御部１５の構成を具体的な動作に基づいて説明する。
制御部１５は、基準電流波形テーブル１１を電流信号Ｉとしたレーザパルスを、あらかじめ設定された周期に従って１６回出力する。このうち最初の８回のレーザパルスはレーザ発振器１４が熱的に過渡状態にあるとして無視する。そして、出力が安定した後半８回のレーザパルスの出力光量をＬｎ９（ｎ）、Ｌｂ１０（ｎ）、・・・Ｌｎ１６（ｎ）としてデータテーブルに格納し、その８回平均から基準光量値Ｌｓ（ｎ）を生成する。
【００３０】
基準光量値：Ｌｓ（ｎ）＝
｛Ｌｂ９（ｎ）＋Ｌｂ１０（ｎ）＋・・・・＋Ｌｂ１６（ｎ）｝／８
このようにして生成した基準光量波形は、使用するレーザ媒体特有の温度特性や遅延を反映したもので、使用するレーザ媒体として最も出力を安定させやすい波形となる。
【００３１】
このようにして構成された制御部１５によって、サイクルタイム０．１ｍｓ毎にステップ番号ｎを０〜Ｎまで更新しながら下記のフィードバック演算を行い電流信号Ｉ（ｎ）を算出する。
【００３２】
電流信号：Ｉ（ｎ）＝
Ｉｓ（ｎ）・［１＋ΔＰ（ｎ−１）＋｛ΔＪ（ｎ−１）・ｎ／Ｎ｝］
ただし、Ｉ（０）＝Ｉｓ（０）、ΔＰ（０）＝０、ΔＪ（０）＝０
光量補正値：ΔＰ（ｎ）＝（Ｌｓ（ｎ）−Ｌｂ（ｎ））×Ｇｐ／Ｌｓ（ｎ）
エネルギ補正値：ΔＪ（ｎ）＝（ΣＬｓ（ｎ）−ΣＬｂ（ｎ））×Ｇｊ／ΣＬｓ（ｎ）
基準エネルギ値：ΣＬｓ（ｎ）＝
Ｌｓ（０）＋Ｌｓ（１）＋Ｌｓ（２）＋・・・＋Ｌｓ（ｎ）
出力エネルギ値：ΣＬｂ（ｎ）＝
Ｌｂ（０）＋Ｌｂ（１）＋Ｌｂ（２）＋・・・＋Ｌｂ（ｎ）
Ｇｐ：あらかじめ定めたゲインで定数（例えば、０．３）
Ｇｊ：あらかじめ定めたゲインで定数（例えば、０．２）
すなわち、基準光量値Ｌｓ（ｎ−１）よりレーザ出力光量値Ｌｂ（ｎ−１）が小さい場合は、電流信号値Ｉ（ｎ）を基準電流値Ｉｓ（ｎ）より増加させ、逆の場合は減少する。また、基準エネルギ値ΣＬｓ（ｎ−１）より出力エネルギ値ΣＬｂ（ｎ−１）が小さい場合は、電流信号値Ｉ（ｎ）を基準電流値Ｉｓ（ｎ）より増加させ、逆の場合は減少する。
【００３３】
また、電流信号Ｉの演算においてエネルギ補正値ΔＪにｎ／Ｎを掛けることで、ステップ番号ｎが小さいレーザ出力の立ち上がりの部分においては光量補正量ΔＰが有効に作用し、ステップ番号ｎが大きいレーザ出力の終わり部分Ｐ１では、エネルギ補正値ΔＪが有効に作用するようにしている。これにより、図４（ｂ）のようにレーザ溶接において重要なレーザ出力の立ち上がり波形とトータルエネルギの安定化の両立を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
レーザ溶接機をはじめレーザ出力を使用する計測器やレーザ出力を使用するその他の加工機の高機能化に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のレーザ発振器の出力補正方法を採用したレーザ加工装置の構成図
【図２】同実施の形態の基準電流値：Ｉｓ（ｎ）の波形図と基準光量値：Ｌｓ（ｎ）の波形図
【図３】繰り返し測定毎の基準電流値：Ｉｓ（ｎ）と基準光量値：Ｌｓ（ｎ）のデータテーブル説明図
【図４】従来の補正方法による出力光量値の変動と本発明による補正方法による出力光量値の変動を示す波形図
【図５】従来のレーザ加工装置の構成図
【図６】従来の出力補正方法を説明するレーザ出力波形図
【符号の説明】
【００３６】
１    励起用ランプ
２    レーザロッド
３    ハーフミラー
４    光センサ
５    レーザ出力光量検出回路
６    基準光量波形テーブル
７，１０    比較演算部
８，９    積算演算部
１１    基準電流波形テーブル
１２    関数演算部
１３    投入電流駆動回路
１４    レーザ発振器
１５    制御部
【図１】
2009278023.tif 000003
【図２】
2009278023.tif 000004
【図３】
2009278023.tif 000005
【図４】
2009278023.tif 000006
【図５】
2009278023.tif 000007
【図６】
2009278023.tif 000008