(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起ランプの発光によりレーザ媒質を励起し、この励起エネルギーをＱスイッチ素子の動作によりポンピングしかつトリガパルスとして出力する連続励起Ｑスイッチレーザ出力装置において、前記励起ランプの励起ランプ電流をモニタするランプ電流モニタ手段と、このランプ電流モニタ手段によりモニタされた励起ランプ電流の時間積分値を求め、この時間積分値が所定の設定値に達したときに前記Ｑスイッチ素子をスイッチング動作させるＱスイッチ制御手段と、を具備したことを特徴とする連続励起Ｑスイッチレーザ出力装置。
【請求項２】
Ｑスイッチ制御手段は、モニタされた励起ランプ電流を積分する積分器と、この積分器の電流積分値と所定の設定値とを比較するコンパレータと、このコンパレータによる比較の結果、前記電流積分値が前記設定値に達したときにＱスイッチトリガ信号を出力するマルチショットバイブレータと、を有することを特徴とする請求項１記載の連続励起Ｑスイッチレーザ出力装置。
【請求項３】
励起ランプの発光によりレーザ媒質を励起し、この励起エネルギーをＱスイッチ素子の動作によりポンピングしかつトリガパルスとして出力し、このトリガパルスのパルス列を被加工物に対して走査して照射するレーザ加工装置において、前記励起ランプの励起ランプ電流をモニタするランプ電流モニタ手段と、このランプ電流モニタ手段によりモニタされた励起ランプ電流の時間積分値を求め、この時間積分値が所定の設定値に達したときに前記Ｑスイッチ素子をスイッチング動作させるＱスイッチ制御手段と、前記被加工物に対する前記トリガパルスの走査位置をモニタする走査モニタ手段と、この走査手段によりモニタされた走査位置に基づいて前記被加工物上における前記トリガパルスの走査速度を求め、この走査速度に応じて前記励起ランプ電流を制御するランプ電流制御手段と、を具備したことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
Ｑスイッチ制御手段は、モニタされた励起ランプ電流を積分する積分器と、この積分器の電流積分値と所定の設定値とを比較するコンパレータと、このコンパレータによる比較の結果、前記電流積分値が前記設定値に達したときにＱスイッチトリガ信号を出力するマルチショットバイブレータと、を有することを特徴とする請求項３記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、尖頭出力の高いトリガパルスのレーザ光を出力する連続励起Ｑスイッチレーザ出力装置及びこれを用いたレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光は、切断、溶接、マーキングといった種々な加工分野に利用されている。このうち切断加工を例にとると、レーザ光を利用して鋼板等を切断する加工が一般的に行われている。
【０００３】
このようなレーザ加工の方式の１つとして、ＸＹテーブルを用いたものがある。この方式は、ＸＹテーブル上に被加工物を載置し、指定の加工形状に基づいてＸＹテーブルを２次元方向の平面上に走査し、これと共にレーザ光を被加工物に照射して指定の加工形状に切断加工するものである。
【０００４】
しかしながら、この方式の加工では、被加工物の角部や鋭角形状の先端においてレーザ光の走査速度が著しく遅くなり、このために被加工物に対する入熱過多により鋭角度が失われたり、溶け落ちたりする。
【０００５】
このような問題を解決するために、例えば特開昭６２−２７０２９１号公報に記載されているように、加工速度にリアルタイムに対応してレーザ出力又はその出力形態を制御することが行われている。
【０００６】
ところで、連続励起Ｑスイッチパルスレーザの場合、Ｑスイッチパルスの繰り返し周波数を可変すると、この繰り返し周波数が高くなるに従って、１レーザパルス当たりの特性、すなわちエネルギーやピークパワーが低下する。
【０００７】
このため、レーザ光の走査速度が変化した場合、同一特性のＱスイッチレーザ光により加工を行うことが困難となる。
一方、レーザ発振装置の不安定性により励起量や繰り返し周波数が変動した場合、Ｑスイッチレーザパルスのピークパワー又はエネルギーを精度高く均一化することができず、特に精密な彫り深さ制御が要求されるマーキング加工等では、加工に不具合が生じる虞がある。
【０００８】
又、被加工物上に走査するレーザ光が走査パターン中の曲り角等に達した際には、レーザ光路又はレーザ共振器中にメカニカルシャッターを挿入し、曲り角等に対するパルスレーザ光の照射を停止等することが行われている。
【０００９】
このようにメカニカルシャッターを備える機構のために、装置が複雑化し、そればかりでなく被加工物に高速にレーザ光を照射する場合、メカニカルシャッターの開閉時間により加工速度が制限される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上のようにレーザ光の走査速度が変化した場合、同一特性のＱスイッチレーザ光により加工を行うことが困難となる。
又、Ｑスイッチ素子の繰り返し周波数が変動した場合、Ｑスイッチレーザパルスのピークパワー又はエネルギーを精度高く均一化することができない。
【００１１】
さらに、メカニカルシャッターを備える機構の場合、装置が複雑化し、かつメカニカルシャッターの開閉時間により加工速度が制限される。
そこで本発明は、Ｑスイッチレーザパルス列のピークパワー又はエネルギー値を精度高く均一化できる連続励起Ｑスイッチレーザ出力装置を提供することを目的とする。
【００１２】
又、本発明は、Ｑスイッチレーザパルス列のピークパワー又はエネルギー値を精度高く均一化して被加工物上に照射できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１によれば、励起ランプの発光によりレーザ媒質を励起し、この励起エネルギーをＱスイッチ素子の動作によりポンピングしかつトリガパルスとして出力する連続励起Ｑスイッチレーザ出力装置において、
励起ランプの励起ランプ電流をモニタするランプ電流モニタ手段と、
このランプ電流モニタ手段によりモニタされた励起ランプ電流の時間積分値を求め、この時間積分値が所定の設定値に達したときにＱスイッチ素子をスイッチング動作させるＱスイッチ制御手段と、
を備えて上記目的を達成しようとする連続励起Ｑスイッチレーザ出力装置である。
【００１４】
請求項２によれば、Ｑスイッチ制御手段は、モニタされた励起ランプ電流を積分する積分器と、
この積分器の電流積分値と所定の設定値とを比較するコンパレータと、
このコンパレータによる比較の結果、電流積分値が設定値に達したときにＱスイッチトリガ信号を出力するマルチショットバイブレータと、
を有する。
【００１５】
請求項３によれば、励起ランプの発光によりレーザ媒質を励起し、この励起エネルギーをＱスイッチ素子の動作によりポンピングしかつトリガパルスとして出力し、このトリガパルスのパルス列を被加工物に対して走査して照射するレーザ加工装置において、
励起ランプの励起ランプ電流をモニタするランプ電流モニタ手段と、
このランプ電流モニタ手段によりモニタされた励起ランプ電流の時間積分値を求め、この時間積分値が所定の設定値に達したときにＱスイッチ素子をスイッチング動作させるＱスイッチ制御手段と、
被加工物に対するトリガパルスの走査位置をモニタする走査モニタ手段と、
この走査手段によりモニタされた走査位置に基づいて被加工物上におけるトリガパルスの走査速度を求め、この走査速度に応じて励起ランプ電流を制御するランプ電流制御手段と、
を備えて上記目的を達成しようとするレーザ加工装置である。
【００１６】
請求項４によれば、レーザ加工装置におけるＱスイッチ制御手段は、モニタされた励起ランプ電流を積分する積分器と、
この積分器の電流積分値と所定の設定値とを比較するコンパレータと、
このコンパレータによる比較の結果、電流積分値が設定値に達したときにＱスイッチトリガ信号を出力するマルチショットバイブレータと、
を有する。
【００１８】
上記請求項１によれば、励起ランプの発光によりレーザ媒質を励起し、この励起エネルギーをＱスイッチ素子の動作によりポンピングしかつトリガパルスとして出力する場合、励起ランプの励起ランプ電流をモニタし、このモニタされた励起ランプ電流の時間積分値を求め、この時間積分値が所定の設定値に達したときにＱスイッチをスイッチング動作してトリガパルスとして出力する。これにより、レーザパルス列のピークパワー又はエネルギー値が均一化される。
【００１９】
上記請求項２によれば、Ｑスイッチ素子のスイッチング動作は、モニタされた励起ランプ電流を積分器により積分し、この電流積分値と所定の設定値とをコンパレータにより比較し、この比較の結果、電流積分値が設定値に達したときにマルチショットバイブレータからＱスイッチ素子トリガ信号を出力し、Ｑスイッチ素子をスイッチング動作する。
【００２０】
上記請求項３によれば、励起ランプの発光によりレーザ媒質を励起し、この励起エネルギーをＱスイッチ素子の動作によりポンピングしかつトリガパルスとして出力し、このトリガパルスのパルス列を被加工物に対して走査して照射するレーザ加工する場合、励起ランプの励起ランプ電流をモニタし、このモニタされた励起ランプ電流の時間積分値を求め、この時間積分値が所定の設定値に達したときにＱスイッチ素子をスイッチング動作してトリガパルスを出力し、かつこのトリガパルスの被加工物に対する走査位置をモニタし、このモニタされた走査位置に基づいて被加工物上におけるトリガパルスの走査速度を求め、この走査速度に応じて励起ランプ電流を制御する。これにより、レーザパルス列のピークパワー又はエネルギー値を精度高く均一化して被加工物上に照射される、すなわち被加工物上に単位長さ当たり一定数のレーザパルスを照射できる。
【００２１】
上記請求項４によれば、Ｑスイッチ素子のスイッチング動作は、モニタされた励起ランプ電流を積分器により積分し、この電流積分値と所定の設定値とをコンパレータにより比較し、この比較の結果、電流積分値が設定値に達したときにマルチショットバイブレータからＱスイッチトリガ信号を出力し、Ｑスイッチ素子をスイッチング動作し、均一化したレーザパルス列のピークパワー又はエネルギー値のパルスレーザを被加工物上に照射する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は連続励起Ｑスイッチレーザ出力装置を適用したレーザ加工装置の構成図である。
【００２４】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置１には、その共振器内に配置されたＹＡＧの固体レーザ媒質に沿って励起ランプとしてのアークランプが配置され、かつ共振器内に音響光学Ｑスイッチ素子（以下、Ｑスイッチ素子と省略する）が配置されている。
【００２５】
このＮｄ：ＹＡＧレーザ装置１には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ用電源２が接続されている。このＮｄ：ＹＡＧレーザ用電源２には、アークランプ用の駆動電源及びＱスイッチ素子用の駆動電源が備えられている。
【００２６】
ランプ電流モニタ３は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ用電源２からＮｄ：ＹＡＧレーザ装置１のアークランプに供給されるアークランプ電流をモニタし、そのランプ電流モニタ信号をＱスイッチ制御回路４に送る機能を有している。
【００２７】
このＱスイッチ制御回路４は、ランプ電流モニタ３から出力されたランプ電流モニタ信号を入力し、このモニタされた励起ランプ電流の時間積分値を求め、この時間積分値が所定の設定値に達したときにＱスイッチトリガ信号をＮｄ：ＹＡＧレーザ用電源２に送出し、Ｑスイッチレーザパルス列の均一化を行う機能を有している。
【００２８】
このＱスイッチ制御回路４の具体的な構成は、図２に示すように加算器４１が設けられ、この加算器４１にランプ電流モニタ信号が入力している。この加算器４１は、レーザ発振のしきい値（オフセット）を加算して調整するもので、このオフセット調整はポテンショメータにより行われるようになっている。
【００２９】
次に積分器４２が加算器４１の出力端子に接続されている。この積分器４２は、加算器４１から出力されたランプ電流モニタ信号を積分し、アークランプの電流積分値を求める機能を有している。この積分器４２は、コンデンサ及び可変抵抗器により構成され、その時定数は可変抵抗器により調整される。
【００３０】
コンパレータ４３は、積分器４２により求められるアークランプの電流積分値と設定値とを比較し、アークランプの電流積分値が設定値に達したときに、マルチショットバイブレータ４４を介してＱスイッチトリガ信号を出力する機能を有している。
【００３１】
なお、このコンパレータ４３の設定値は、ポテンショメータにより設定されるものとなっている。
又、このコンパレータ４３からマルチショットバイブレータ４４を介して出力されるＱスイッチトリガ信号は、リセット信号として積分器４２に送られている。
【００３２】
なお、マルチショットバイブレータ４４は、装置中の遅れ時間を補償するために接続されており、この遅れ時間の設定値は可変抵抗器により設定されるものとなっている。
【００３３】
一方、レーザ光偏向装置５は、スキャンミラーを備え、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置１から出力されるＱスイッチパルス列のレーザ光をスキャンミラーによりスキャニングして被加工物に照射するとき、被加工物に対するレーザ光の走査位置をモニタ、すなわちスキャンミラーのＸ軸及びＹ軸の各位置信号をモニタ出力する機能を有している。
【００３４】
同期装置６は、レーザ光偏向装置５によりモニタされたスキャンミラーのＸ軸及びＹ軸の各位置信号に基づいて被加工物上におけるレーザ光の走査速度を求め、この走査速度に応じて励起ランプ電流を制御するランプ電流制御手段としての機能を有している。
【００３６】
すなわち、同期装置６は、Ｑスイッチ制御回路４とレーザ光偏向装置５との同期をとるもので、Ｑスイッチレーザパルスのピークパワーを一定に保つために必要なアーク電流値とＱスイッチレーザパルス繰り返し数との関係により求められる次式を現実したものとなっている。
【００３７】
Ｉlamp＝gain×ｆQ ＋offset …(1)
ここで、Ｉlampはアークランプ電流、gainは図３に示す特性曲線の傾き、ｆＱはＱスイッチレーザパルス繰り返し数、offsetは図３に示す特性曲線のｙ切片で、Ｑスイッチパルス列のピークパワー又はエネルギーを一定に保つために必要な定数である。
【００３８】
なお、図４に示すアーク電流値とＱスイッチレーザパルス繰り返し数との関係は、３通りのレーザピークパワーの各特性曲線を示している。
この同期装置６の具体的な構成を図４に示す。
【００３９】
各微分器６１、６２にそれぞれスキャナＸ軸位置信号、スキャナＹ軸位置信号が入力している。これら微分器６１、６２は、それぞれスキャナＸ軸位置信号、スキャナＹ軸位置信号を微分処理して各軸方向の速度を求める機能を有している。
【００４０】
次に、各軸方向の速度から被加工物上のレーザ光の走査速度を求めるためにＸ及びＹ軸方向の速度成分の２乗和の平方根が計算される。
すなわち、各微分器６１、６２の各出力端子には、各絶対値器６３、６４を介してそれぞれ各２乗器６５、６６が接続され、これら２乗器６５、６６の出力端子に加算器６７、平方根器６８が接続されている。そして、この平方根器６８の出力端子に加算器６９が接続されている。なお、加算器６９は、オフセットを調整を行ってアークランプ電流制御信号としてＮｄ：ＹＡＧレーザ用電源２に送出する機能を有している。
【００４１】
次に上記の如く構成された装置の作用について説明する。
Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置１のアークランプに対してＮｄ：ＹＡＧレーザ用電源２の駆動電源からアークランプ電流が供給される。
【００４２】
このアークランプ電流の供給によりアークランプは、発光し、ＹＡＧの固体レーザ媒質は励起される。このとき、Ｑスイッチ素子は、動作していないので、励起エネルギーはポンピングされる。
【００４３】
一方、ランプ電流モニタ３は、このアークランプ電流をモニタし、そのランプ電流モニタ信号をＱスイッチ制御回路４に送る。
このＱスイッチ制御回路４は、アークランプ電流の時間積分値を求め、この時間積分値が所定の設定値に達したときにＱスイッチトリガ信号をＮｄ：ＹＡＧレーザ用電源２に送出する。
【００４４】
すなわち、図２に示すように、加算器４１は、ランプ電流モニタ信号にレーザ発振のしきい値を加算してオフセット調整を行い、次の積分器４２は、加算器４１からのランプ電流モニタ信号を積分し、アークランプの電流積分値を求める。
【００４５】
コンパレータ４３は、積分器４２により求められるアークランプの電流積分値と設定値とを比較し、アークランプの電流積分値が設定値に達したときに、マルチショットバイブレータ４４を介してＱスイッチトリガ信号を出力する。
【００４６】
このようにＱスイッチトリガ信号が出力されると、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ用電源２の駆動電源は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置１のＱスイッチ素子に対して駆動電圧を印加する。
【００４７】
このＱスイッチ素子が動作すると、ポンピングされた励起エネルギーにより光共振が発生し、尖頭出力の高いトリガパルスのレーザ光が出力される。
これ以降、アークランプの電流積分値が設定値に達する毎に、Ｑスイッチ素子が動作し、尖頭出力の高いトリガパルスのレーザ光が、Ｑスイッチレーザパルス列として出力される。
【００４８】
これらＱスイッチレーザパルス列は、アークランプの電流積分値が設定値に達する毎にＱスイッチ素子が動作することから、１レーザパルス当たりのピークパワー又はエネルギーが一定に均一化されたものとなる。
【００４９】
これらＱスイッチパルス列のレーザ光は、レーザ光偏向装置５のスキャンミラーにより走査されて被加工物上に照射される。
一方、このときレーザ光偏向装置５は、スキャンミラーのＸ軸及びＹ軸の各位置信号をモニタして同期装置６に送出する。
【００５０】
この同期装置６は、スキャンミラーのＸ軸及びＹ軸の各位置信号に基づいて被加工物上におけるレーザ光の走査速度を求め、この走査速度に応じて励起ランプ電流を制御する。
【００５１】
すなわち、図４に示すように同期装置６の各微分器６１、６２は、それぞれスキャナＸ軸位置信号、スキャナＹ軸位置信号を微分処理して各軸方向の速度を求める。
【００５２】
次に各絶対値器６３、６４は、各軸方向の速度の絶対値を求め、続いて各２乗器６５、６６により各軸方向の速度の絶対値の２乗値が求められる。
次に加算器６７は、これら２乗値の和を求め、続いて平方根器６８は、２乗和の平方根を求めて加算器６９に送る。
【００５３】
この加算器６９は、２乗和の平方根に対するオフセットを調整を行って、すなわち図４に示す特性曲線のｙ切片であるオフセット（offset）をポテンショメータにより調整し、このオフセットをＱスイッチレーザパルス列のピークパワー又はエネルギーを一定に保つ値に設定する。すなわち、被加工物上に単位長さ当たり一定数のレーザパルスを照射するように設定する。
【００５４】
かくして、加算器６９からは、オフセット調整されたアークランプ電流制御信号が、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ用電源２に送出される。
このＮｄ：ＹＡＧレーザ用電源２の駆動電源は、アークランプ電流制御信号によりアークランプに供給するアークランプ電流量を制御する。
【００５５】
例えば、被加工物の角部や鋭角形状の先端では、レーザ光の走査速度が著しく遅くなるので、Ｑスイッチ繰り返し周波数を高くして１レーザパルス当たりの特性、すなわちエネルギーやピークパワーを低下する。これにより、被加工物に対する入熱が減少し、鋭角度が失われたり、溶け落ちたりすることがなくなる。
【００５６】
以上のようにＱスイッチ制御回路４を用いてＱスイッチレーザパルス列の均一化を行った例を図５に示す。同図(a)(b)はスキャンミラーを正弦波上に変化させ、アークランプ電流を制御したときのレーザパルス波形を示している。なお、これら図は、１秒間開放で数千パルス重ね取りした写真をもとにした場合で、同図(a) はＱスイッチ周波数が６ｋＨｚ一定の場合、同図(b) はＱスイッチパルス列均一化を行ったものである。
【００５７】
ピークパワーのばらつきは、その最大値に対して同図(a) では５９％、同図(b) では１５％である。この事から、Ｑスイッチレーザパルス列の均一化を行うことによりＱスイッチレーザパルス列が均一化されていることがわかる。
【００５８】
又、同図(c) はＱスイッチ繰り返し周波数を６ｋＨｚ一定とし、かつアークランプ電流を一定とした場合のＱスイッチレーザパルス波形を重ね撮りしたものである。このピークパワーのばらつきは、１２％である。
【００５９】
図５(a)(b)によりＱスイッチレーザパルス列の均一化のためのＱスイッチ制御回路４を用いることにより、アークランプ電流をスキャンミラーと対応させ制御した場合でも、Ｑスイッチレーザパルス列のピークパワーを、同図(c) に示すアークランプ電流一定、Ｑスイッチ周波数一定のときと同程度に平坦化できることがわかる。
【００６０】
このように上記一実施の形態においては、アークランプのアークランプ電流をモニタし、このモニタされたアークランプ電流の時間積分値を求め、この時間積分値が所定の設定値に達したときにＱスイッチ素子をスイッチング動作してトリガパルスとして出力するようにしたので、Ｑスイッチレーザパルス列のピークパワー又はエネルギー値を均一化できる、すなわち１レーサパルス当たりのピークパワー又はエネルギーを一定に均一化できる。
【００６１】
又、アークランプ電流の時間積分値が所定の設定値に達したときにＱスイッチ素子をスイッチング動作し、かつレーザ光の被加工物に対する走査位置をモニタし、このモニタされた走査位置に基づいて被加工物上におけるレーザ光の走査速度を求め、この走査速度に応じてアークランプ電流を制御するようにしたので、Ｑスイッチレーザパルス列のピークパワー又はエネルギー値を精度高く均一化し、被加工物上に単位長さ当たり一定数のレーザパルスを照射できる。
【００６２】
例えば、レーザ光の走査速度が著しく遅くなる被加工物の角部や鋭角形状の先端では、Ｑスイッチ繰り返し周波数を高くして１レーザパルス当たりのエネルギーやピークパワーを低下し、被加工物に対する入熱を減少して鋭角度を失うことなく、溶け落ちたりすることがなくなる。
【００６３】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、Ｑスイッチレーザパルス列のピークパワー又はエネルギー値を精度高く均一化できる連続励起Ｑスイッチレーザ出力装置を提供できる。
【００６４】
又、本発明によれば、Ｑスイッチレーザパルス列のピークパワー又はエネルギー値を精度高く均一化して被加工物上に照射できるレーザ加工装置を提供できる。
【００６５】
又、本発明によれば、Ｑスイッチレーザパルス列のピークパワー又はエネルギー値を精度高く均一化し、被加工物上に単位長さ当たり一定数のレーザパルスを照射できるレーザ加工装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる連続励起Ｑスイッチレーザ出力装置を適用したレーザ加工装置の一実施の形態を示す構成図。
【図２】Ｑスイッチ制御回路の具体的な構成図。
【図３】Ｑスイッチ繰り返し周波数とアークランプ電流との関係図。
【図４】同期装置の具体的な構成図。
【図５】レーザパルス列の均一化を行った例を示す図。
【符号の説明】
１…Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置、
２…Ｎｄ：ＹＡＧレーザ用電源、
３…ランプ電流モニタ、
４…Ｑスイッチ制御回路、
５…レーザ光偏向装置、
６…同期装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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