JP4107532B2 - レーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ装置に係り、特にレーザ励起手段にランプを使用し、パルスレーザ光を繰り返し発振出力する固体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、この種の固体レーザ装置では、レーザ発振時における励起ランプの点灯開始をよくするため、待機（レーザ未発振）中の励起ランプに微弱な予備放電電流いわゆるシマー電流を流すようにしている。シマー電流により待機中も励起ランプ内に放電路が形成されることで、主レーザ電源からのランプ点灯（レーザ発振）用の本来のランプ電流が流れやすくなり、高速の繰り返しパルス発振も可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者の究明したところによれば、パルスレーザ光を繰り返し発振出力する際には、シマー電流が励起ランプの寿命およびレーザ出力の安定性に影響することが判明した。すなわち、シマー電流を大きくするほど励起ランプの寿命が短くなり、シマー電流を小さくするほど高速繰り返し時にレーザ出力が安定しなくなることが判明した。
【０００４】
しかるに、従来のこの種固体レーザ装置は、シマー電流の電流値を固定しており、パルス発振の繰り返し速度と関係無く一定の電流値に維持していた。このため、常時低いパルス繰り返し速度で稼動している場合や日頃の稼動率が低い場合でも励起ランプが比較的早く消耗するという問題が生じたり、あるいはパルス繰り返し速度を上げたときにレーザ出力が不安定になることがあった。
【０００５】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、シマー電流の電流値を適切に制御して励起ランプの寿命を可及的に延ばすとともに、レーザ出力の安定性を向上させるようにしたレーザ装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の第１のレーザ装置は、待機時に励起ランプにシマー電流を流しておいて、レーザ発振時に前記励起ランプにパルス波形のランプ電流を供給して前記励起ランプをパルス点灯させ、その光エネルギーによって固体レーザ媒体を励起して、パルスレーザ光を発振出力するようにしたレーザ装置において、前記パルスレーザ光の繰り返し速度またはパルス間隔に応じて前記シマー電流の電流値を可変制御する手段を具備する構成とした。
【０００７】
また、本発明の第２のレーザ装置は、待機時に励起ランプにシマー電流を流しておいて、レーザ発振時に前記励起ランプにパルス波形のランプ電流を供給して前記励起ランプをパルス点灯させ、その光エネルギーによって固体レーザ媒体を励起して、パルスレーザ光を発振出力するようにしたレーザ装置において、前記パルスレーザ光の繰り返し速度またはパルス間隔について複数の区域を設定する区域設定手段と、各々の前記区域について前記シマー電流の電流値を個別に設定するシマー電流設定手段と、発振出力される前記パルスレーザ光について該当する区域を判別する区域判別手段と、前記区域判別手段によって判別された該当区域に対応する電流値に前記シマー電流を制御するシマー電流制御手段とを具備する構成とした。
【０００８】
本発明の一態様として、前記区域判別手段が、前記パルスレーザ光の発振出力について予め設定されたシーケンスに基づいて前記該当区域を判別する手段を含む構成であってよい。
【０００９】
あるいは、前記区域判別手段が、任意のタイミングで与えられる外部からの所定の信号に応動して発振出力される前記パルスレーザ光の繰り返し速度またはパルス間隔を測定する測定手段と、この測定手段で得られた測定値に基づいて前記該当区域を判別する手段とを含む構成であってよい。
【００１０】
また、前記シマー電流制御手段が、前記励起ランプに前記シマー電流を供給するためのスイッチング素子を含むシマー電源回路と、前記シマー電流を検出し、その電流値を表す電圧信号を出力するシマー電流検出手段と、前記複数の区域にそれぞれ対応して設定された複数の増幅率の中のいずれかに択一的に選択可能に構成され、選択された増幅率で前記電流検出手段からの前記電圧信号を増幅する増幅器と、前記区域判別手段によって判別された該当区域に対応する増幅率に前記増幅器を切り替える増幅率切替手段と、前記増幅器の出力信号を予め設定されている基準電圧と比較し、その比較誤差を零に近づけるようなパルス幅を有する一定周波数のスイッチングパルスで前記スイッチング素子をスイッチング制御するパルス幅制御手段とを有する構成であってよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図を参照して本発明の実施例を説明する。
【００１２】
図１に、本発明の一実施例によるＹＡＧレーザ加工装置の全体の主要な構成を示す。このＹＡＧレーザ加工装置は、主としてレーザ発振部１０、レーザ電源部１２、制御部１４、入出力インタフェース部１６およびシマー回路１８から構成されている。
【００１３】
レーザ発振部１０は、チャンバ２０内に互いに近接して並置された励起ランプ２２およびＹＡＧロッド２４と、チャンバ２０の外でＹＡＧロッド２４の光軸上に配置された一対の光共振器ミラー２６，２８とを有している。
【００１４】
励起ランプ２２は、レーザ電源部１２よりパルス波形のランプ電流ＩR の供給を受けてパルス点灯する。励起ランプ２２がパルス点灯すると、その光エネルギーでＹＡＧロッド２４が励起され、ＹＡＧロッド２４の両端面より光軸上に出た光が光共振器ミラー２６，２８の間で反射を繰り返して増幅されたのちパルスレーザ光ＬＢとして出力ミラー２６を抜け出る。出力ミラー２６より抜け出たパルスレーザ光ＬＢは、適当なレーザ伝送系（図示せず）を介してレーザ加工部（図示せず）へ送られ、そこで被加工物（図示せず）に照射される。
【００１５】
レーザ電源部１２は、レーザ発振部１０に供給すべきレーザ発振用の電力を蓄積するコンデンサ３０と、商用交流たとえば三相交流電源電圧（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を直流に変換してコンデンサ３０を所定の直流電圧に充電するための充電回路３２と、コンデンサ３０とレーザ発振部１０の励起ランプ２２との間に接続されたスイッチング素子たとえばトランジスタ３４と、このトランジスタ３４を高周波数（たとえば２０ｋＨｚ）でスイッチング駆動する駆動回路３６とを含んでいる。
【００１６】
制御部１４は、装置全体ないし各部の動作を制御するためのＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３８と、このＣＰＵ３８に所定の処理を行わせるための各種プログラムおよび各種設定値または演算データを保持するためのメモリ４０と、パルスレーザ光ＬＢのレーザ出力またはこれに対応するレーザ電源部１２内の電気的パラメータを計測するための各種計測手段４２〜４６等を含んでいる。
【００１７】
ＣＰＵ３８は、電源部１２に対しては、コンデンサ３０を設定電圧に充電させるための充電制御信号ＣＦを充電回路３２に与えるとともに、波形制御用のスイッチング制御信号ＳＷを駆動回路３６に与える。
【００１８】
波形制御のために、ＣＰＵ３８は、レーザ出力測定部４２からのレーザ出力測定値ＳL 、電圧測定回路４４からのランプ電圧測定値ＳV または電流測定回路４６からのランプ電流測定値ＳI 、あるいはランプ電圧測定値ＳV およびランプ電流測定値ＳI から求めたランプ電力測定値ＳP （ＳV ・ＳI ）を予め設定されている波形制御用の基準波形と比較して比較誤差を求め、この比較誤差を零に近づけるようなパルス幅を有するパルス幅制御信号をスイッチング制御信号ＳＷとして生成する。
【００１９】
このようなフィードバック制御方式により、レーザ発振部４０より発振出力されるパルスレーザ光ＬＢのレーザ出力またはこれに対応するレーザ電源部４２内の電気的パラメータ（ランプ電流、ランプ電力、ランプ電圧）が各波形制御用の基準波形に倣うように制御される。
【００２０】
なお、上記のようなＣＰＵ３８におけるパルス幅制御機能を別個のＣＰＵまたは専用の制御回路にもたせることも可能である。
【００２１】
入出力インタフェース部１６は、入力部４８、表示部５０および通信インタフェース回路（Ｉ／Ｆ）５２等を含んでいる。入力部４８は、たとえばキーボードやマウス等を有し、所与のレーザ加工に応じた各種条件またはパラメータの設定値を入力する。本実施例では、シマー回路１８に関係する各種設定値も入力部４８より入力されてよい。表示部５０は、ＬＣＤまたはＬＥＤ等で構成され、設定値、測定値、判定値等を表示する。Ｉ／Ｆ５２は、レーザ加工用の搬送ロボットあるいはコントローラ等の図示しない外部の装置（以下，外部装置という）との信号またはデータの授受に用いられる
【００２２】
シマー回路１８は、本装置に電源が入っていて、レーザが発振されていない間の待機中に励起ランプ２２に予備放電用のシマー電流Ｉsを供給する。本実施例において、シマー回路１８は、ＣＰＵ３８の制御の下でシマー電流Ｉsの電流値をレーザ発振部１０ないしレーザ電源部１２の状態に応じて適宜変更（切替）できるように構成されている。
【００２３】
図２に、本実施例におけるシマー回路１８の回路構成を示す。このシマー回路１８は、励起ランプ２２にシマー電流Ｉsを供給するための電源部５４と、シマー電流Ｉsの電流値を制御するための制御部５６とから構成される。
【００２４】
電源部５４において、入力端子５７に入力された、たとえば２００ボルトの商用交流電圧Ｅは整流回路５８で所定電圧の直流に変換される。整流回路５８の出力端子は、たとえばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなるスイッチング素子６０を介して昇圧トランス６２の１次側コイルに接続されている。スイッチング素子６０は、後述する制御部５６のスイッチング制御によりたとえば５０ｋＨｚの周波数でオン・オフする。これにより、昇圧トランス６２の１次側回路で同周波数のパルス電流が流れ、電磁誘導によって２次側コイルに相似のパルス波形を有する交流の二次電圧が生成される。この交流二次電圧は整流回路６４で所定電圧の直流に変換され、この整流回路６４からの直流電圧がチョーク・コイル６６および逆流防止用のダイオード６８を介して励起ランプ２２に印加され、この閉回路内で直流のシマー電流Ｉsが流れるようになっている。
【００２５】
制御部５６において、電源部５４に取付されている電流センサたとえばホールＣＴ７０は、励起ランプ２２を流れるシマー電流Ｉsを検出し、その電流値を表す電圧信号（電流検出信号）Ｖsを出力する。
【００２６】
ホールＣＴ７０からの電流検出信号Ｖsは、演算増幅器７２およびその周辺（入力・帰還）抵抗７４〜８０からなるインピーダンス変換用のバッファ・アンプを介して信号増幅用の演算増幅器８２の非反転入力端子に供給される。
【００２７】
演算増幅器８２の反転入力端子は、並列的に設けられた複数個（この例では３個）のアナログスイッチ８４，８６，８８を介して直列抵抗回路９０の各接続点に電気的に接続される。より詳細には、直列抵抗回路９０は演算増幅器８２の出力端子とグランド端子との間に４個の抵抗９２，９４，９６，９８を直列接続してなり、抵抗９２，９４間の接続点にスイッチ８４が、抵抗９４，９６間の接続点にスイッチ８６が、抵抗９６，９８間の接続点にスイッチ８８がそれぞれ接続されている。
【００２８】
これら３個のスイッチ８４，８６，８８は、ＣＰＵ３８の制御によりその中の１つだけが選択されてオン状態になり、他は全部オフ状態に保持される。
【００２９】
スイッチ８４が選択されたときは、演算増幅器８２に対して抵抗９２が入力抵抗を、抵抗９４，９６，９８が帰還抵抗をそれぞれ構成する。各抵抗９２，９４，９６，９８の抵抗値をそれぞれＲ92，Ｒ94，Ｒ96，Ｒ98とすると、この場合の演算増幅器８２の増幅率μ1は（Ｒ92＋Ｒ94＋Ｒ96＋Ｒ98）／Ｒ92である。
【００３０】
スイッチ８６が選択されたときは、抵抗９２，９４が入力抵抗を、抵抗９６，９８が帰還抵抗をそれぞれ構成し、この場合の演算増幅器８２の増幅率μ2は（Ｒ92＋Ｒ94＋Ｒ96＋Ｒ98）／（Ｒ92＋Ｒ94）である。
【００３１】
スイッチ８８が選択されたときは、抵抗９２，９４，９６が入力抵抗を、抵抗９８が帰還抵抗をそれぞれ構成し、この場合の演算増幅器８２の増幅率μ1は（Ｒ92＋Ｒ94＋Ｒ96＋Ｒ98）／（Ｒ92＋Ｒ94＋Ｒ96）である。
【００３２】
このように、３個のスイッチ８４，８６，８８のいずれが選択されるかによって演算増幅器８２の増幅率μが異なり、スイッチ８４が選択されたときの増幅率μ1が最も大きく、次に大きいのがスイッチ８６が選択されたときの増幅率μ2で、スイッチ８８が選択されたときの増幅率μ3が最も小さい。
【００３３】
本実施例において、演算増幅器８２の増幅率μを多段階（この例では３段階）に切替可能に構成しているのは、シマー電流Ｉsの電流値を多段階（この例では３段階）に切替可能とするためである。
【００３４】
表１に示すように、本実施例では、パルスレーザ光ＬＢを繰り返し発振出力する速度（パルス発振繰り返し速度）ｆを「低速域」（ｆ＜２ｐｐｓ）、「中速域」（２ｐｐｓ≦ｆ≦２００ｐｐｓ），「高速域」（２００ｐｐｓ＜ｆ）の３区域に分け、「低速域」には０．３Ａ、「中速域」には２Ａ、「高速域」には５Ａのシマー電流設定値を選定している。これらの設定値は、データとして入力部４８よりＣＰＵ３８に入力され、メモリ４０内の所定の記憶領域に格納される。
【００３５】
【表１】
【００３６】
ＣＰＵ３８は、シマー電流Ｉsを「低速域」用の０．３Ａに切り替えるときはスイッチ８４を選択し、「中速域」の２Ａに切り替えるときはスイッチ８６を選択し、「高速域」の５Ａに切り替えるときはスイッチ８８を選択するようになっている。
【００３７】
演算増幅器８２における３段階の増幅率μ1、μ2、μ3は、シマー電流の３段階の設定値０．３Ａ、２Ａ、５Ａにそれぞれ対応した値に選ばれる。より詳細には、設定値×増幅率（０．３μ1、２μ2、５μ3）が常に一定の値Ｋになるように選ばれる。
【００３８】
これにより、演算増幅器８２の出力端子には、シマー電流設定値とは関係なく上記一定値Ｋに対応する基準電圧ＫＩ付近の電圧レベルを有する電流検出信号μＶsが得られる。演算増幅器８２からの電流検出信号μＶsは電流制御回路１００に与えられる。
【００３９】
電流制御回路１００は、ＣＰＵ３８からの制御信号によってシマー電流Ｉsのオン／オフを制御し、オン期間中は演算増幅器８２からの電流検出信号μＶsを基準電流値設定部１０２からの上記基準電圧ＫＩと比較し、その比較誤差を零にするようなシマー電流制御を行う。本実施例では、たとえば５０ｋＨｚの基準パルスを発生するパルス発生回路（図示せず）を備え、比較誤差で基準パルスをパルス幅変調したものをスイッチング制御信号ＥＧとして出力し、このスイッチング制御信号により駆動回路１０４を介して電源部５４のスイッチング素子６０をオン・オフ制御するようにしている。
【００４０】
次に、図３〜図８につき本実施例におけるシマー電流制御方式の作用を説明する。
【００４１】
本実施例のＹＡＧレーザ加工装置では、レーザ加工の要求仕様に応じてパルスレーザ光ＬＢの波形、出力（光強度）、繰り返し速度、パルス数等の条件が選択される。これらの条件のうち、波形や出力等のパルス自体に内在する条件は本装置に予め設定入力される。しかし、繰り返し速度やパルス数等の時間的またはタイミング的な条件は本装置に予め設定入力されることもあれば、外部装置からのコマンド信号（スタート信号、ストップ信号等）によって決まることもある。
【００４２】
外部装置よりコマンド信号が与えられる場合には、一連のパルスレーザ光ＬＢを発振出力するために、外部コマンド信号が一連のパルスレーザ光ＬＢを発振出力するスタート時点だけを本装置に指示し、後は本装置に予め閉め設定しているシーケンスに任せるケース（第１のケース）と、外部コマンド信号がスタート時点とストップ時点を本装置に指示し、その間のシーケンスを本装置に任せるケース（第２のケース）と、外部コマンド信号が個々のパルスレーザ光ＬＢについてパルス発振のタイミングを任意に指示するケース（第３のケース）とがある。
【００４３】
図３に、上記第１のケースにおいてシマー電流を可変制御するためのＣＰＵ３８の処理手順を示す。図４に、この第１のケースにおける各部のタイミングまたは波形を模式的に示す。
【００４４】
電源投入直後あるいは所定のリセット後で行なう初期化（ステップＳ1）において、ＣＰＵ３８は、メモリ４０より所要のシーケンスおよび条件設定値を検索し、検索したデータの中からシマー電流の初期値を識別する。通常は、電源投入後またはリセット後に外部スタート信号が与えられる時点は不定であり、長時間待機することもあるので、シマー電流初期値は「低速域」用の最も小さい電流設定値（０．３Ａ）に選ばれる。
【００４５】
ＣＰＵ３８は、シマー回路１８より励起ランプ２２に供給されるシマー電流Ｉsの電流値をシマー電流初期値とするよう、増幅器８２の増幅率μを選択する。この例では、「低速域」用のスイッチ８４を選択的にオンにする（ステップＳ2）。
【００４６】
これにより、シマー回路１８内では、電流センサ７０、増幅器８２、電流制御回路１００、基準電流値設定部１０２、スイッチング素子６０等からなるフィードバック式の定電流制御ループが働いて、シマー電流Ｉsはシマー電流初期値（０．３Ａ）に維持される。
【００４７】
外部装置からの外部スタート信号ＳＴをＩ／Ｆ５２を介して受信すると（ステップＳ3）、ＣＰＵ３８は、用意してあるシーケンスに係るパルス繰り返し速度ｆの設定値から該当する区域を判別し、その該当する区域に対応する設定値にシマー電流Ｉsの電流値を切り替える（ステップＳ4）。たとえば、パルス繰り返し速度ｆの設定値が１５ｐｐｓであるときは、「中速域」用の設定値（２Ａ）に切り替える。そのためには、増幅器８２に対して、該当するスイッチ８６を選択的にオンにする。
【００４８】
また、パルス繰り返し速度ｆの設定値がたとえば３００ｐｐｓであるときは、「高速域」用の設定値（５Ａ）に切り替える。そのためには、増幅器８２に対して、該当するスイッチ８８を選択的にオンにする。また、パルス繰り返し速度ｆの設定値がたとえば１ｐｐｓであったり、あるいは単一のパルスレーザ光ＬＢを発振出力するアプリケーションもあり得る。この場合は、シマー電流Ｉsの電流値を初期値（０．３Ａ）に維持する。したがって、該当スイッチ８４をオン状態に保持する。
【００４９】
シマー回路１８内では、以後、上記フィードバック式の定電流制御ループにより、シマー電流Ｉsが該選択（切替）された設定値に維持される。
【００５０】
かかるシマー電流Ｉsの下で、ＣＰＵ３８は、上記シーケンスにしたがってレーザ電源部１２を制御し、レーザ発振部１０の励起ランプ２２に所定のパルス波形を有するランプ電流ＩRを供給させる。レーザ発振部１０では、励起ランプ２２がパルス点灯する度にＹＡＧロッド２４が励起され、光共振器の出力ミラー２６より所定の波形でパルスレーザ光ＬＢが発振出力される。なお、ランプ電流ＩRの供給を受けて励起ランプ２２がパルス点灯する時、シマー回路１８では保護ダイオード６８に逆バイアスとしてランプ電圧が印加されるため、シマー電流Ｉsは一時的に遮断される。
【００５１】
レーザ加工部では、被加工物が出射ユニットによって集光されたパルスレーザ光ＬＢの照射を受け、パルスレーザ光ＬＢのレーザエネルギーによって溶接、切断、穴あけ等のレーザ加工を施される。
【００５２】
本実施例のＹＡＧレーザ加工装置では、繰り返しパルスレーザ発振の各合間にシマー電流Ｉsがパルス繰り返し速度ｆに応じた適切な電流値で励起ランプ２２に予備放電路を形成するため、励起ランプ２２の繰り返しパルス点灯ひいてはレーザ発振部１０の繰り返しパルスレーザ発振が安定に行なわれ、安定した出力（光強度）のパルスレーザ光ＬＢが得られる。これにより、レーザ加工の加工品質を向上させることができる。
【００５３】
ＣＰＵ３８は、各種計測手段４２〜４６からの測定値信号を基に、レーザ発振部１０より発振出力されたパルスレーザ光ＬＢを計数し（ステップＳ5、Ｓ6）、その計数（累積）値が設定値Ｎsに達したならば（ステップＳ7）、その時点で当該シーケンスを終了させ、シマー電流Ｉsの電流値を初期値に戻す（ステップＳ8、Ｓ2）。
【００５４】
このように、一連の繰り返しパルスレーザ発振の開始前または終了後の待機または休止時間中はシマー電流Ｉsを最小の設定値で流すようにしたので、励起ランプ２２における消耗劣化の進行速度を最小限に食い止め、励起ランプ２２の寿命を可及的に延ばすことができる。
【００５５】
図５に、上記第２のケースにおいてシマー電流を可変制御するためのＣＰＵ３８の処理手順を示す。この場合も、シーケンスを止める手順を除き、上記第１のケースと同様の処理手順が実行される。
【００５６】
シーケンスを止めるときは、外部装置よりＩ／Ｆ５２を介してストップ信号が与えられる。このストップ信号を受信すると（ステップＳ9）、ＣＰＵ３８は、この時点でパルスレーザ光ＬＢが発振出力中であるのか否かを判別する。発振出力中でないときは、直ちにシーケンスを止めて、シマー電流Ｉsの電流値を初期値に戻す（ステップＳ10、Ｓ12）。発振出力中であるときは、図６に示すように、当該パルスレーザ光ＬＢの発振出力が終了した時点で、シーケンスを止めて、シマー電流Ｉsの電流値を初期値に戻す（ステップＳ11、Ｓ12）。
【００５７】
図７に、上記第３のケースにおいてシマー電流を可変制御するためのＣＰＵ３８の処理手順を示す。図８に、このケースにおける各部のタイミングまたは波形を示す。
【００５８】
このケースでも、電源投入後またはリセット後の待機中は、上記第１および第２のケースと同様に、シマー電流Ｉsを所定の初期値に保持する（ステップＢ1〜Ｂ2）。しかし、外部スタート信号ＳＴが入ると、レーザ電源部１２およびレーザ発振部１０に予め設定されている波形でパルスレーザＬＢを１発だけ発振出力させる（ステップＢ3、Ｂ4）。
【００５９】
この時点では、パルス繰り返し速度ｆが未定であるため、次に来る外部スタート信号ＳＴを待つ（ステップＢ6、Ｂ9）。そして、次の外部スタート信号ＳＴを受信したなら（ステップＢ9、Ｂ10）、ＣＰＵ３８は２発目のパルスレーザＬＢを発振出力させたうえで（ステップＢ4）、１回目の外部スタート信号ＳＴと２回目の外部スタート信号ＳＴとの時間差（時間間隔）ｔ1を測定し、この時間間隔ｔ1からパルス繰り返し速度ｆ（１／ｔ1）を求める（ステップＢ7）。そして、その求めたパルス繰り返し速度ｆに該当する区域を判別し、その該当区域用の設定値にシマー電流Ｉsの電流値を切り替える（ステップＢ8）。
【００６０】
これ以降も、上記と同様の処理手順を繰り返し（ステップＢ9⇒Ｂ10⇒Ｂ4⇒Ｂ5⇒Ｂ7⇒Ｂ8⇒Ｂ9⇒Ｂ10⇒‥‥）、外部スタート信号ＳＴのタイミングに応じてリアルタイムにシマー電流Ｉsの電流値を可変制御する。
【００６１】
そして、直前の外部スタート信号ＳＴを受信してから所定のリミット時間ＴL経過しても次の外部スタート信号ＳＴが入ってこないときは、初期の待機モードに戻り（ステップＢ11、Ｂ12）、シマー電流Ｉsを初期値に戻す（ステップＢ2）。
【００６２】
この例では外部スタート信号ＳＴの各時間間隔毎にパルス繰り返し速度ｆ（１／ｔ）を求めたが、複数の時間間隔の平均値または移動平均値としてパルス繰り返し速度ｆを求めるようにしてもよい。
【００６３】
なお、図３、図５および図７には図示していないが、電源が切られた時や異常事態が発生した時等には、ＣＰＵ３８はシマー回路１８の電流制御回路１００に電流オフを指示する制御信号を与えて、シマー電流Ｉsを止める。
【００６４】
上記した第１、第２、第３のケースはいずれも外部装置からのコマンド信号に応動してパルスレーザ光ＬＢを発振出力する動作であった。本装置の入力部４８より上記外部コマンド信号に相当するコマンドを入力することももちろん可能であり、通常は上記第１または第２のケースと同様の動作が行なわれる。
【００６５】
また、繰り返しレーザ発振または単発レーザ発振の全シーケンスを本装置にプログラミングした場合は、パルス繰り返し速度の時間的推移（変化）を予め割り出すことが可能であり、上記した外部コマンド方式の場合よりもよりフレキシブルかつ適確にシマー電流の可変制御を行うことができる。
【００６６】
たとえば、或る一連の繰り返しレーザ発振動作におけるパルス繰り返し速度ｆが「高速域」のものであれば、レーザ発振出力の安定性を重視して、それに先立つ待機時間中のシマー電流の初期値を「中速域」用の設定値（２Ａ）または「高速域」用の設定値（５Ａ）に選択することもできる。その意味では、シマー電流の初期値を随時変更することができる。このようにシマー電流の初期値を比較的高い電流値にしたり随時変更する方法は上記外部コマンド方式にももちろん適用可能である。
【００６７】
図９に、シマー回路１８の回路構成の別の実施例を示す。この実施例は、上記した第１の実施例（図２）における制御部５６を図示のような構成５６´に変形したものである。すなわち、電流センサ７０の出力信号（電流検出信号）Ｖsを電流制御回路１００に直接供給し、可変電流値設定部１１０より可変制御可能な電流設定値ＫＣを電流制御回路１００に与える構成としている。電流制御回路１００は、両入力（Ｖs、ＫＣ）を比較して比較誤差（差分）を求め、比較誤差を零に近づけるようなＰＷＭ制御信号ＥＧによって電源部５４のスイッチング素子６０をスイッチング制御する。
【００６８】
ＣＰＵ３８は、上記第１の実施例において増幅器８２の増幅率μを可変制御すべくスイッチ群８４，８６，８８のオン・オフ状態を制御したのに代えて、この実施例では可変電流値設定部１１０に所望のシマー電流設定値を随時与えるか指示すればよい。したがって、段階的な可変制御はもちろんのこと、連続的な可変制御も可能である。
【００６９】
もっとも、電流センサ７０からの電流検出信号Ｖsが増幅器で正規化（レベル較正）されることなく電流制御回路１００に与えられるため、電流制御回路１００内での信号処理が難しくなり、シマー電流Ｉsの電流値が小さい場合、たとえば「低速域」用の電流値（０．３Ａ）のときは信号処理ないし電流制御の精度が低下することもある。
【００７０】
その意味で、上記第１実施例における制御部５６は、演算増幅器や抵抗、アナログスイッチ等のハードウェア回路を必要とするものの、電流制御回路１００の負担を軽減し、精度の高い電流制御を可能とする。
【００７１】
上記した実施例における各種設定値の値（たとえば表１内の数値）は一例であり、任意の設定値を選択することができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ装置によれば、パルスレーザ光のパルス繰り返し速度に応じてシマー電流の電流値を可変制御することにより、励起ランプの寿命を可及的に延ばすとともに、レーザ出力の安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるＹＡＧレーザ加工装置の主要部の全体構成を示すブロック図である。
【図２】実施例におけるシマー回路の回路構成を示すブロック図である。
【表１】実施例におけるパルス繰り返し速度の設定区域と各対応するシマー電流設定値との関係を示す表である。
【図３】実施例の第１のケースにおいてシマー電流を可変制御するためのＣＰＵの処理手順を示すフローチャート図である。
【図４】第１のケースにおける各部のタイミングまたは波形を模式的に示すタイミング図である。
【図５】実施例の第２のケースにおいてシマー電流を可変制御するためのＣＰＵの処理手順を示すフローチャート図である。
【図６】第２のケースにおける各部のタイミングまたは波形を模式的に示すタイミング図である。
【図７】実施例の第３のケースにおいてシマー電流を可変制御するためのＣＰＵの処理手順を示すフローチャート図である。
【図８】第３のケースにおける各部のタイミングまたは波形を模式的に示すタイミング図である。
【図９】本発明におけるシマー回路の別の実施例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ レーザ発振部
１２ レーザ電源部
１４ 制御部
１６ 入出力インタフェース部
１８ シマー回路
２２ 励起ランプ
２４ ＹＡＧロッド
３８ ＣＰＵ
４０ メモリ
４８ 入力部
５２ インタフェース回路
５４ 電源部
５６ 制御部
７０ 電流センサ
８２ 演算増幅器
８４，８６，８８ アナログスイッチ
９０（９２，９４，９６，９８） 直列抵抗回路
１００ 電流制御回路
１０２ 基準電流値設定部
５６´ 制御部
１１０ 可変電流値設定部
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ装置に係り、特にレーザ励起手段にランプを使用し、パルスレーザ光を繰り返し発振出力する固体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、この種の固体レーザ装置では、レーザ発振時における励起ランプの点灯開始をよくするため、待機（レーザ未発振）中の励起ランプに微弱な予備放電電流いわゆるシマー電流を流すようにしている。シマー電流により待機中も励起ランプ内に放電路が形成されることで、主レーザ電源からのランプ点灯（レーザ発振）用の本来のランプ電流が流れやすくなり、高速の繰り返しパルス発振も可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者の究明したところによれば、パルスレーザ光を繰り返し発振出力する際には、シマー電流が励起ランプの寿命およびレーザ出力の安定性に影響することが判明した。すなわち、シマー電流を大きくするほど励起ランプの寿命が短くなり、シマー電流を小さくするほど高速繰り返し時にレーザ出力が安定しなくなることが判明した。
【０００４】
しかるに、従来のこの種固体レーザ装置は、シマー電流の電流値を固定しており、パルス発振の繰り返し速度と関係無く一定の電流値に維持していた。このため、常時低いパルス繰り返し速度で稼動している場合や日頃の稼動率が低い場合でも励起ランプが比較的早く消耗するという問題が生じたり、あるいはパルス繰り返し速度を上げたときにレーザ出力が不安定になることがあった。
【０００５】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、シマー電流の電流値を適切に制御して励起ランプの寿命を可及的に延ばすとともに、レーザ出力の安定性を向上させるようにしたレーザ装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の第１のレーザ装置は、待機時に励起ランプにシマー電流を流しておいて、レーザ発振時に前記励起ランプにパルス波形のランプ電流を供給して前記励起ランプをパルス点灯させ、その光エネルギーによって固体レーザ媒体を励起して、パルスレーザ光を発振出力するようにしたレーザ装置において、前記パルスレーザ光の繰り返し速度またはパルス間隔に応じて前記シマー電流の電流値を可変制御する手段を具備する構成とした。
【０００７】
また、本発明の第２のレーザ装置は、待機時に励起ランプにシマー電流を流しておいて、レーザ発振時に前記励起ランプにパルス波形のランプ電流を供給して前記励起ランプをパルス点灯させ、その光エネルギーによって固体レーザ媒体を励起して、パルスレーザ光を発振出力するようにしたレーザ装置において、前記パルスレーザ光の繰り返し速度またはパルス間隔について複数の区域を設定する区域設定手段と、各々の前記区域について前記シマー電流の電流値を個別に設定するシマー電流設定手段と、発振出力される前記パルスレーザ光について該当する区域を判別する区域判別手段と、前記区域判別手段によって判別された該当区域に対応する電流値に前記シマー電流を制御するシマー電流制御手段とを具備する構成とした。
【０００８】
本発明の一態様として、前記区域判別手段が、前記パルスレーザ光の発振出力について予め設定されたシーケンスに基づいて前記該当区域を判別する手段を含む構成であってよい。
【０００９】
あるいは、前記区域判別手段が、任意のタイミングで与えられる外部からの所定の信号に応動して発振出力される前記パルスレーザ光の繰り返し速度またはパルス間隔を測定する測定手段と、この測定手段で得られた測定値に基づいて前記該当区域を判別する手段とを含む構成であってよい。
【００１０】
また、前記シマー電流制御手段が、前記励起ランプに前記シマー電流を供給するためのスイッチング素子を含むシマー電源回路と、前記シマー電流を検出し、その電流値を表す電圧信号を出力するシマー電流検出手段と、前記複数の区域にそれぞれ対応して設定された複数の増幅率の中のいずれかに択一的に選択可能に構成され、選択された増幅率で前記電流検出手段からの前記電圧信号を増幅する増幅器と、前記区域判別手段によって判別された該当区域に対応する増幅率に前記増幅器を切り替える増幅率切替手段と、前記増幅器の出力信号を予め設定されている基準電圧と比較し、その比較誤差を零に近づけるようなパルス幅を有する一定周波数のスイッチングパルスで前記スイッチング素子をスイッチング制御するパルス幅制御手段とを有する構成であってよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図を参照して本発明の実施例を説明する。
【００１２】
図１に、本発明の一実施例によるＹＡＧレーザ加工装置の全体の主要な構成を示す。このＹＡＧレーザ加工装置は、主としてレーザ発振部１０、レーザ電源部１２、制御部１４、入出力インタフェース部１６およびシマー回路１８から構成されている。
【００１３】
レーザ発振部１０は、チャンバ２０内に互いに近接して並置された励起ランプ２２およびＹＡＧロッド２４と、チャンバ２０の外でＹＡＧロッド２４の光軸上に配置された一対の光共振器ミラー２６，２８とを有している。
【００１４】
励起ランプ２２は、レーザ電源部１２よりパルス波形のランプ電流ＩR の供給を受けてパルス点灯する。励起ランプ２２がパルス点灯すると、その光エネルギーでＹＡＧロッド２４が励起され、ＹＡＧロッド２４の両端面より光軸上に出た光が光共振器ミラー２６，２８の間で反射を繰り返して増幅されたのちパルスレーザ光ＬＢとして出力ミラー２６を抜け出る。出力ミラー２６より抜け出たパルスレーザ光ＬＢは、適当なレーザ伝送系（図示せず）を介してレーザ加工部（図示せず）へ送られ、そこで被加工物（図示せず）に照射される。
【００１５】
レーザ電源部１２は、レーザ発振部１０に供給すべきレーザ発振用の電力を蓄積するコンデンサ３０と、商用交流たとえば三相交流電源電圧（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を直流に変換してコンデンサ３０を所定の直流電圧に充電するための充電回路３２と、コンデンサ３０とレーザ発振部１０の励起ランプ２２との間に接続されたスイッチング素子たとえばトランジスタ３４と、このトランジスタ３４を高周波数（たとえば２０ｋＨｚ）でスイッチング駆動する駆動回路３６とを含んでいる。
【００１６】
制御部１４は、装置全体ないし各部の動作を制御するためのＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３８と、このＣＰＵ３８に所定の処理を行わせるための各種プログラムおよび各種設定値または演算データを保持するためのメモリ４０と、パルスレーザ光ＬＢのレーザ出力またはこれに対応するレーザ電源部１２内の電気的パラメータを計測するための各種計測手段４２〜４６等を含んでいる。
【００１７】
ＣＰＵ３８は、電源部１２に対しては、コンデンサ３０を設定電圧に充電させるための充電制御信号ＣＦを充電回路３２に与えるとともに、波形制御用のスイッチング制御信号ＳＷを駆動回路３６に与える。
【００１８】
波形制御のために、ＣＰＵ３８は、レーザ出力測定部４２からのレーザ出力測定値ＳL 、電圧測定回路４４からのランプ電圧測定値ＳV または電流測定回路４６からのランプ電流測定値ＳI 、あるいはランプ電圧測定値ＳV およびランプ電流測定値ＳI から求めたランプ電力測定値ＳP （ＳV ・ＳI ）を予め設定されている波形制御用の基準波形と比較して比較誤差を求め、この比較誤差を零に近づけるようなパルス幅を有するパルス幅制御信号をスイッチング制御信号ＳＷとして生成する。
【００１９】
このようなフィードバック制御方式により、レーザ発振部４０より発振出力されるパルスレーザ光ＬＢのレーザ出力またはこれに対応するレーザ電源部４２内の電気的パラメータ（ランプ電流、ランプ電力、ランプ電圧）が各波形制御用の基準波形に倣うように制御される。
【００２０】
なお、上記のようなＣＰＵ３８におけるパルス幅制御機能を別個のＣＰＵまたは専用の制御回路にもたせることも可能である。
【００２１】
入出力インタフェース部１６は、入力部４８、表示部５０および通信インタフェース回路（Ｉ／Ｆ）５２等を含んでいる。入力部４８は、たとえばキーボードやマウス等を有し、所与のレーザ加工に応じた各種条件またはパラメータの設定値を入力する。本実施例では、シマー回路１８に関係する各種設定値も入力部４８より入力されてよい。表示部５０は、ＬＣＤまたはＬＥＤ等で構成され、設定値、測定値、判定値等を表示する。Ｉ／Ｆ５２は、レーザ加工用の搬送ロボットあるいはコントローラ等の図示しない外部の装置（以下，外部装置という）との信号またはデータの授受に用いられる
【００２２】
シマー回路１８は、本装置に電源が入っていて、レーザが発振されていない間の待機中に励起ランプ２２に予備放電用のシマー電流Ｉsを供給する。本実施例において、シマー回路１８は、ＣＰＵ３８の制御の下でシマー電流Ｉsの電流値をレーザ発振部１０ないしレーザ電源部１２の状態に応じて適宜変更（切替）できるように構成されている。
【００２３】
図２に、本実施例におけるシマー回路１８の回路構成を示す。このシマー回路１８は、励起ランプ２２にシマー電流Ｉsを供給するための電源部５４と、シマー電流Ｉsの電流値を制御するための制御部５６とから構成される。
【００２４】
電源部５４において、入力端子５７に入力された、たとえば２００ボルトの商用交流電圧Ｅは整流回路５８で所定電圧の直流に変換される。整流回路５８の出力端子は、たとえばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなるスイッチング素子６０を介して昇圧トランス６２の１次側コイルに接続されている。スイッチング素子６０は、後述する制御部５６のスイッチング制御によりたとえば５０ｋＨｚの周波数でオン・オフする。これにより、昇圧トランス６２の１次側回路で同周波数のパルス電流が流れ、電磁誘導によって２次側コイルに相似のパルス波形を有する交流の二次電圧が生成される。この交流二次電圧は整流回路６４で所定電圧の直流に変換され、この整流回路６４からの直流電圧がチョーク・コイル６６および逆流防止用のダイオード６８を介して励起ランプ２２に印加され、この閉回路内で直流のシマー電流Ｉsが流れるようになっている。
【００２５】
制御部５６において、電源部５４に取付されている電流センサたとえばホールＣＴ７０は、励起ランプ２２を流れるシマー電流Ｉsを検出し、その電流値を表す電圧信号（電流検出信号）Ｖsを出力する。
【００２６】
ホールＣＴ７０からの電流検出信号Ｖsは、演算増幅器７２およびその周辺（入力・帰還）抵抗７４〜８０からなるインピーダンス変換用のバッファ・アンプを介して信号増幅用の演算増幅器８２の非反転入力端子に供給される。
【００２７】
演算増幅器８２の反転入力端子は、並列的に設けられた複数個（この例では３個）のアナログスイッチ８４，８６，８８を介して直列抵抗回路９０の各接続点に電気的に接続される。より詳細には、直列抵抗回路９０は演算増幅器８２の出力端子とグランド端子との間に４個の抵抗９２，９４，９６，９８を直列接続してなり、抵抗９２，９４間の接続点にスイッチ８４が、抵抗９４，９６間の接続点にスイッチ８６が、抵抗９６，９８間の接続点にスイッチ８８がそれぞれ接続されている。
【００２８】
これら３個のスイッチ８４，８６，８８は、ＣＰＵ３８の制御によりその中の１つだけが選択されてオン状態になり、他は全部オフ状態に保持される。
【００２９】
スイッチ８４が選択されたときは、演算増幅器８２に対して抵抗９２が入力抵抗を、抵抗９４，９６，９８が帰還抵抗をそれぞれ構成する。各抵抗９２，９４，９６，９８の抵抗値をそれぞれＲ92，Ｒ94，Ｒ96，Ｒ98とすると、この場合の演算増幅器８２の増幅率μ1は（Ｒ92＋Ｒ94＋Ｒ96＋Ｒ98）／Ｒ92である。
【００３０】
スイッチ８６が選択されたときは、抵抗９２，９４が入力抵抗を、抵抗９６，９８が帰還抵抗をそれぞれ構成し、この場合の演算増幅器８２の増幅率μ2は（Ｒ92＋Ｒ94＋Ｒ96＋Ｒ98）／（Ｒ92＋Ｒ94）である。
【００３１】
スイッチ８８が選択されたときは、抵抗９２，９４，９６が入力抵抗を、抵抗９８が帰還抵抗をそれぞれ構成し、この場合の演算増幅器８２の増幅率μ1は（Ｒ92＋Ｒ94＋Ｒ96＋Ｒ98）／（Ｒ92＋Ｒ94＋Ｒ96）である。
【００３２】
このように、３個のスイッチ８４，８６，８８のいずれが選択されるかによって演算増幅器８２の増幅率μが異なり、スイッチ８４が選択されたときの増幅率μ1が最も大きく、次に大きいのがスイッチ８６が選択されたときの増幅率μ2で、スイッチ８８が選択されたときの増幅率μ3が最も小さい。
【００３３】
本実施例において、演算増幅器８２の増幅率μを多段階（この例では３段階）に切替可能に構成しているのは、シマー電流Ｉsの電流値を多段階（この例では３段階）に切替可能とするためである。
【００３４】
表１に示すように、本実施例では、パルスレーザ光ＬＢを繰り返し発振出力する速度（パルス発振繰り返し速度）ｆを「低速域」（ｆ＜２ｐｐｓ）、「中速域」（２ｐｐｓ≦ｆ≦２００ｐｐｓ），「高速域」（２００ｐｐｓ＜ｆ）の３区域に分け、「低速域」には０．３Ａ、「中速域」には２Ａ、「高速域」には５Ａのシマー電流設定値を選定している。これらの設定値は、データとして入力部４８よりＣＰＵ３８に入力され、メモリ４０内の所定の記憶領域に格納される。
【００３５】
【表１】
ＣＰＵ３８は、シマー電流Ｉsを「低速域」用の０．３Ａに切り替えるときはスイッチ８４を選択し、「中速域」の２Ａに切り替えるときはスイッチ８６を選択し、「高速域」の５Ａに切り替えるときはスイッチ８８を選択するようになっている。
【００３７】
演算増幅器８２における３段階の増幅率μ1、μ2、μ3は、シマー電流の３段階の設定値０．３Ａ、２Ａ、５Ａにそれぞれ対応した値に選ばれる。より詳細には、設定値×増幅率（０．３μ1、２μ2、５μ3）が常に一定の値Ｋになるように選ばれる。
【００３８】
これにより、演算増幅器８２の出力端子には、シマー電流設定値とは関係なく上記一定値Ｋに対応する基準電圧ＫＩ付近の電圧レベルを有する電流検出信号μＶsが得られる。演算増幅器８２からの電流検出信号μＶsは電流制御回路１００に与えられる。
【００３９】
電流制御回路１００は、ＣＰＵ３８からの制御信号によってシマー電流Ｉsのオン／オフを制御し、オン期間中は演算増幅器８２からの電流検出信号μＶsを基準電流値設定部１０２からの上記基準電圧ＫＩと比較し、その比較誤差を零にするようなシマー電流制御を行う。本実施例では、たとえば５０ｋＨｚの基準パルスを発生するパルス発生回路（図示せず）を備え、比較誤差で基準パルスをパルス幅変調したものをスイッチング制御信号ＥＧとして出力し、このスイッチング制御信号により駆動回路１０４を介して電源部５４のスイッチング素子６０をオン・オフ制御するようにしている。
【００４０】
次に、図３〜図８につき本実施例におけるシマー電流制御方式の作用を説明する。
【００４１】
本実施例のＹＡＧレーザ加工装置では、レーザ加工の要求仕様に応じてパルスレーザ光ＬＢの波形、出力（光強度）、繰り返し速度、パルス数等の条件が選択される。これらの条件のうち、波形や出力等のパルス自体に内在する条件は本装置に予め設定入力される。しかし、繰り返し速度やパルス数等の時間的またはタイミング的な条件は本装置に予め設定入力されることもあれば、外部装置からのコマンド信号（スタート信号、ストップ信号等）によって決まることもある。
【００４２】
外部装置よりコマンド信号が与えられる場合には、一連のパルスレーザ光ＬＢを発振出力するために、外部コマンド信号が一連のパルスレーザ光ＬＢを発振出力するスタート時点だけを本装置に指示し、後は本装置に予め閉め設定しているシーケンスに任せるケース（第１のケース）と、外部コマンド信号がスタート時点とストップ時点を本装置に指示し、その間のシーケンスを本装置に任せるケース（第２のケース）と、外部コマンド信号が個々のパルスレーザ光ＬＢについてパルス発振のタイミングを任意に指示するケース（第３のケース）とがある。
【００４３】
図３に、上記第１のケースにおいてシマー電流を可変制御するためのＣＰＵ３８の処理手順を示す。図４に、この第１のケースにおける各部のタイミングまたは波形を模式的に示す。
【００４４】
電源投入直後あるいは所定のリセット後で行なう初期化（ステップＳ1）において、ＣＰＵ３８は、メモリ４０より所要のシーケンスおよび条件設定値を検索し、検索したデータの中からシマー電流の初期値を識別する。通常は、電源投入後またはリセット後に外部スタート信号が与えられる時点は不定であり、長時間待機することもあるので、シマー電流初期値は「低速域」用の最も小さい電流設定値（０．３Ａ）に選ばれる。
【００４５】
ＣＰＵ３８は、シマー回路１８より励起ランプ２２に供給されるシマー電流Ｉsの電流値をシマー電流初期値とするよう、増幅器８２の増幅率μを選択する。この例では、「低速域」用のスイッチ８４を選択的にオンにする（ステップＳ2）。
【００４６】
これにより、シマー回路１８内では、電流センサ７０、増幅器８２、電流制御回路１００、基準電流値設定部１０２、スイッチング素子６０等からなるフィードバック式の定電流制御ループが働いて、シマー電流Ｉsはシマー電流初期値（０．３Ａ）に維持される。
【００４７】
外部装置からの外部スタート信号ＳＴをＩ／Ｆ５２を介して受信すると（ステップＳ3）、ＣＰＵ３８は、用意してあるシーケンスに係るパルス繰り返し速度ｆの設定値から該当する区域を判別し、その該当する区域に対応する設定値にシマー電流Ｉsの電流値を切り替える（ステップＳ4）。たとえば、パルス繰り返し速度ｆの設定値が１５ｐｐｓであるときは、「中速域」用の設定値（２Ａ）に切り替える。そのためには、増幅器８２に対して、該当するスイッチ８６を選択的にオンにする。
【００４８】
また、パルス繰り返し速度ｆの設定値がたとえば３００ｐｐｓであるときは、「高速域」用の設定値（５Ａ）に切り替える。そのためには、増幅器８２に対して、該当するスイッチ８８を選択的にオンにする。また、パルス繰り返し速度ｆの設定値がたとえば１ｐｐｓであったり、あるいは単一のパルスレーザ光ＬＢを発振出力するアプリケーションもあり得る。この場合は、シマー電流Ｉsの電流値を初期値（０．３Ａ）に維持する。したがって、該当スイッチ８４をオン状態に保持する。
【００４９】
シマー回路１８内では、以後、上記フィードバック式の定電流制御ループにより、シマー電流Ｉsが該選択（切替）された設定値に維持される。
【００５０】
かかるシマー電流Ｉsの下で、ＣＰＵ３８は、上記シーケンスにしたがってレーザ電源部１２を制御し、レーザ発振部１０の励起ランプ２２に所定のパルス波形を有するランプ電流ＩRを供給させる。レーザ発振部１０では、励起ランプ２２がパルス点灯する度にＹＡＧロッド２４が励起され、光共振器の出力ミラー２６より所定の波形でパルスレーザ光ＬＢが発振出力される。なお、ランプ電流ＩRの供給を受けて励起ランプ２２がパルス点灯する時、シマー回路１８では保護ダイオード６８に逆バイアスとしてランプ電圧が印加されるため、シマー電流Ｉsは一時的に遮断される。
【００５１】
レーザ加工部では、被加工物が出射ユニットによって集光されたパルスレーザ光ＬＢの照射を受け、パルスレーザ光ＬＢのレーザエネルギーによって溶接、切断、穴あけ等のレーザ加工を施される。
【００５２】
本実施例のＹＡＧレーザ加工装置では、繰り返しパルスレーザ発振の各合間にシマー電流Ｉsがパルス繰り返し速度ｆに応じた適切な電流値で励起ランプ２２に予備放電路を形成するため、励起ランプ２２の繰り返しパルス点灯ひいてはレーザ発振部１０の繰り返しパルスレーザ発振が安定に行なわれ、安定した出力（光強度）のパルスレーザ光ＬＢが得られる。これにより、レーザ加工の加工品質を向上させることができる。
【００５３】
ＣＰＵ３８は、各種計測手段４２〜４６からの測定値信号を基に、レーザ発振部１０より発振出力されたパルスレーザ光ＬＢを計数し（ステップＳ5、Ｓ6）、その計数（累積）値が設定値Ｎsに達したならば（ステップＳ7）、その時点で当該シーケンスを終了させ、シマー電流Ｉsの電流値を初期値に戻す（ステップＳ8、Ｓ2）。
【００５４】
このように、一連の繰り返しパルスレーザ発振の開始前または終了後の待機または休止時間中はシマー電流Ｉsを最小の設定値で流すようにしたので、励起ランプ２２における消耗劣化の進行速度を最小限に食い止め、励起ランプ２２の寿命を可及的に延ばすことができる。
【００５５】
図５に、上記第２のケースにおいてシマー電流を可変制御するためのＣＰＵ３８の処理手順を示す。この場合も、シーケンスを止める手順を除き、上記第１のケースと同様の処理手順が実行される。
【００５６】
シーケンスを止めるときは、外部装置よりＩ／Ｆ５２を介してストップ信号が与えられる。このストップ信号を受信すると（ステップＳ9）、ＣＰＵ３８は、この時点でパルスレーザ光ＬＢが発振出力中であるのか否かを判別する。発振出力中でないときは、直ちにシーケンスを止めて、シマー電流Ｉsの電流値を初期値に戻す（ステップＳ10、Ｓ12）。発振出力中であるときは、図６に示すように、当該パルスレーザ光ＬＢの発振出力が終了した時点で、シーケンスを止めて、シマー電流Ｉsの電流値を初期値に戻す（ステップＳ11、Ｓ12）。
【００５７】
図７に、上記第３のケースにおいてシマー電流を可変制御するためのＣＰＵ３８の処理手順を示す。図８に、このケースにおける各部のタイミングまたは波形を示す。
【００５８】
このケースでも、電源投入後またはリセット後の待機中は、上記第１および第２のケースと同様に、シマー電流Ｉsを所定の初期値に保持する（ステップＢ1〜Ｂ2）。しかし、外部スタート信号ＳＴが入ると、レーザ電源部１２およびレーザ発振部１０に予め設定されている波形でパルスレーザＬＢを１発だけ発振出力させる（ステップＢ3、Ｂ4）。
【００５９】
この時点では、パルス繰り返し速度ｆが未定であるため、次に来る外部スタート信号ＳＴを待つ（ステップＢ6、Ｂ9）。そして、次の外部スタート信号ＳＴを受信したなら（ステップＢ9、Ｂ10）、ＣＰＵ３８は２発目のパルスレーザＬＢを発振出力させたうえで（ステップＢ4）、１回目の外部スタート信号ＳＴと２回目の外部スタート信号ＳＴとの時間差（時間間隔）ｔ1を測定し、この時間間隔ｔ1からパルス繰り返し速度ｆ（１／ｔ1）を求める（ステップＢ7）。そして、その求めたパルス繰り返し速度ｆに該当する区域を判別し、その該当区域用の設定値にシマー電流Ｉsの電流値を切り替える（ステップＢ8）。
【００６０】
これ以降も、上記と同様の処理手順を繰り返し（ステップＢ9⇒Ｂ10⇒Ｂ4⇒Ｂ5⇒Ｂ7⇒Ｂ8⇒Ｂ9⇒Ｂ10⇒‥‥）、外部スタート信号ＳＴのタイミングに応じてリアルタイムにシマー電流Ｉsの電流値を可変制御する。
【００６１】
そして、直前の外部スタート信号ＳＴを受信してから所定のリミット時間ＴL経過しても次の外部スタート信号ＳＴが入ってこないときは、初期の待機モードに戻り（ステップＢ11、Ｂ12）、シマー電流Ｉsを初期値に戻す（ステップＢ2）。
【００６２】
この例では外部スタート信号ＳＴの各時間間隔毎にパルス繰り返し速度ｆ（１／ｔ）を求めたが、複数の時間間隔の平均値または移動平均値としてパルス繰り返し速度ｆを求めるようにしてもよい。
【００６３】
なお、図３、図５および図７には図示していないが、電源が切られた時や異常事態が発生した時等には、ＣＰＵ３８はシマー回路１８の電流制御回路１００に電流オフを指示する制御信号を与えて、シマー電流Ｉsを止める。
【００６４】
上記した第１、第２、第３のケースはいずれも外部装置からのコマンド信号に応動してパルスレーザ光ＬＢを発振出力する動作であった。本装置の入力部４８より上記外部コマンド信号に相当するコマンドを入力することももちろん可能であり、通常は上記第１または第２のケースと同様の動作が行なわれる。
【００６５】
また、繰り返しレーザ発振または単発レーザ発振の全シーケンスを本装置にプログラミングした場合は、パルス繰り返し速度の時間的推移（変化）を予め割り出すことが可能であり、上記した外部コマンド方式の場合よりもよりフレキシブルかつ適確にシマー電流の可変制御を行うことができる。
【００６６】
たとえば、或る一連の繰り返しレーザ発振動作におけるパルス繰り返し速度ｆが「高速域」のものであれば、レーザ発振出力の安定性を重視して、それに先立つ待機時間中のシマー電流の初期値を「中速域」用の設定値（２Ａ）または「高速域」用の設定値（５Ａ）に選択することもできる。その意味では、シマー電流の初期値を随時変更することができる。このようにシマー電流の初期値を比較的高い電流値にしたり随時変更する方法は上記外部コマンド方式にももちろん適用可能である。
【００６７】
図９に、シマー回路１８の回路構成の別の実施例を示す。この実施例は、上記した第１の実施例（図２）における制御部５６を図示のような構成５６´に変形したものである。すなわち、電流センサ７０の出力信号（電流検出信号）Ｖsを電流制御回路１００に直接供給し、可変電流値設定部１１０より可変制御可能な電流設定値ＫＣを電流制御回路１００に与える構成としている。電流制御回路１００は、両入力（Ｖs、ＫＣ）を比較して比較誤差（差分）を求め、比較誤差を零に近づけるようなＰＷＭ制御信号ＥＧによって電源部５４のスイッチング素子６０をスイッチング制御する。
【００６８】
ＣＰＵ３８は、上記第１の実施例において増幅器８２の増幅率μを可変制御すべくスイッチ群８４，８６，８８のオン・オフ状態を制御したのに代えて、この実施例では可変電流値設定部１１０に所望のシマー電流設定値を随時与えるか指示すればよい。したがって、段階的な可変制御はもちろんのこと、連続的な可変制御も可能である。
【００６９】
もっとも、電流センサ７０からの電流検出信号Ｖsが増幅器で正規化（レベル較正）されることなく電流制御回路１００に与えられるため、電流制御回路１００内での信号処理が難しくなり、シマー電流Ｉsの電流値が小さい場合、たとえば「低速域」用の電流値（０．３Ａ）のときは信号処理ないし電流制御の精度が低下することもある。
【００７０】
その意味で、上記第１実施例における制御部５６は、演算増幅器や抵抗、アナログスイッチ等のハードウェア回路を必要とするものの、電流制御回路１００の負担を軽減し、精度の高い電流制御を可能とする。
【００７１】
上記した実施例における各種設定値の値（たとえば表１内の数値）は一例であり、任意の設定値を選択することができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ装置によれば、パルスレーザ光のパルス繰り返し速度に応じてシマー電流の電流値を可変制御することにより、励起ランプの寿命を可及的に延ばすとともに、レーザ出力の安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるＹＡＧレーザ加工装置の主要部の全体構成を示すブロック図である。
【図２】実施例におけるシマー回路の回路構成を示すブロック図である。
【表１】実施例におけるパルス繰り返し速度の設定区域と各対応するシマー電流設定値との関係を示す表である。
【図３】実施例の第１のケースにおいてシマー電流を可変制御するためのＣＰＵの処理手順を示すフローチャート図である。
【図４】第１のケースにおける各部のタイミングまたは波形を模式的に示すタイミング図である。
【図５】実施例の第２のケースにおいてシマー電流を可変制御するためのＣＰＵの処理手順を示すフローチャート図である。
【図６】第２のケースにおける各部のタイミングまたは波形を模式的に示すタイミング図である。
【図７】実施例の第３のケースにおいてシマー電流を可変制御するためのＣＰＵの処理手順を示すフローチャート図である。
【図８】第３のケースにおける各部のタイミングまたは波形を模式的に示すタイミング図である。
【図９】本発明におけるシマー回路の別の実施例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ レーザ発振部
１２ レーザ電源部
１４ 制御部
１６ 入出力インタフェース部
１８ シマー回路
２２ 励起ランプ
２４ ＹＡＧロッド
３８ ＣＰＵ
４０ メモリ
４８ 入力部
５２ インタフェース回路
５４ 電源部
５６ 制御部
７０ 電流センサ
８２ 演算増幅器
８４，８６，８８ アナログスイッチ
９０（９２，９４，９６，９８） 直列抵抗回路
１００ 電流制御回路
１０２ 基準電流値設定部
５６´ 制御部
１１０ 可変電流値設定部
Claims (6)
- 待機時に励起ランプにシマー電流を流しておいて、レーザ発振時に前記励起ランプにパルス波形のランプ電流を供給して前記励起ランプをパルス点灯させ、その光エネルギーによって固体レーザ媒体を励起して、パルスレーザ光を発振出力するようにしたレーザ装置において、
前記パルスレーザ光の繰り返し速度またはパルス間隔に応じて前記シマー電流の電流値を可変制御する手段を具備することを特徴とするレーザ装置。 - 待機時に励起ランプにシマー電流を流しておいて、レーザ発振時に前記励起ランプにパルス波形のランプ電流を供給して前記励起ランプをパルス点灯させ、その光エネルギーによって固体レーザ媒体を励起して、パルスレーザ光を発振出力するようにしたレーザ装置において、
前記パルスレーザ光の繰り返し速度またはパルス間隔について複数の区域を設定する区域設定手段と、
各々の前記区域について前記シマー電流の電流値を個別に設定するシマー電流設定手段と、
発振出力される前記パルスレーザ光について該当する区域を判別する区域判別手段と、
前記区域判別手段によって判別された該当区域に対応する電流値に前記シマー電流を制御するシマー電流制御手段と
を具備することを特徴とするレーザ装置。 - 前記区域判別手段が、前記パルスレーザ光の発振出力について予め設定されたシーケンスに基づいて前記該当区域を判別する手段を含むことを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
- 前記区域判別手段が、任意のタイミングで与えられる外部からの所定の信号に応動して発振出力される前記パルスレーザ光の繰り返し速度またはパルス間隔を測定する測定手段と、この測定手段で得られた測定値に基づいて前記該当区域を判別する手段とを含むことを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
- 前記シマー電流制御手段が、
前記励起ランプに前記シマー電流を供給するためのスイッチング素子を含むシマー電源回路と、
前記シマー電流を検出し、その電流値を表す電圧信号を出力するシマー電流検出手段と、
前記複数の区域にそれぞれ対応して設定された複数の増幅率の中のいずれかに択一的に選択可能に構成され、選択された増幅率で前記電流検出手段からの前記電圧信号を増幅する増幅器と、
前記区域判別手段によって判別された該当区域に対応する増幅率に前記増幅器を切り替える増幅率切替手段と、
前記増幅器の出力信号を予め設定されている基準電圧と比較し、その比較誤差を零に近づけるようなパルス幅を有する一定周波数のスイッチングパルスで前記スイッチング素子をスイッチング制御するパルス幅制御手段と
を有することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載のレーザ装置。 - 一連の前記パルスレーザ光の発振出力が行なわれない期間中は前記シマー電流を所望の設定値に維持しておく手段を具備することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のレーザ装置。
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