JPH04123483A

JPH04123483A - レーザ出力制御装置

Info

Publication number: JPH04123483A
Application number: JP24244790A
Authority: JP
Inventors: Osamu Nagano; 修長野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-09-14
Filing date: 1990-09-14
Publication date: 1992-04-23

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、レーザ加工などに用いるレーザ発振器の出
力制御装置に関し、特に出力を一定に制御する出力制御
と放電電流を一定に制御する電流制御とをダイナミック
に切換えて制御を行なうことができるレーザ出力制御装
置に関するものである。

［従来の技術］第６図は従来のレーザ出力制御装置の構成を示したブロ
ック図である。図において、（１）はレーザ発振器、（
２）は放電電力を供給する電源、（３Ａ）。

（３Ｂ）は電極、（４）はレーザ媒質ガス、（５）は電
源（２）から電力を受けて電極（３Ａ）　、　（３Ｂ）
間に発生する放電、（６）は全反射鏡、（７）は部分透
過鏡、（８εはレーザ発振器（１）から発振されたレー
ザ光、（８ａ）は全反射鏡（６）から取り出されるレー
ザ光（８〕σ）一部分、（９）はレーザ光の一部分（８
ａ）を入力して電気信号に変換する出力検出器、（１０
）は出力検出器（９）の出力電気信号であり、これをレ
ーザ出力フィードバック信号と呼ぶ。（１１）は所望の
レーザ出力を設定する出力設定器、（１２）は誤差増幅
器、（１３）は放電（５）に供給する放電電流を設定す
る放電電流設定器、（１５）は制御方式選択スイッチ、
（］４）は誤差増幅器（１２）、放電電流設定器（１３
）及び制御方式選択スイッチ（１５）に接続された設定
信号切換器であり、その出力は電源（２）に接続されて
いる。

次に動作について説明する。第６図において、（１）は
レーザ発振器であり、電源（２）から供給される電力に
よって電極（３Ａ）　、　（３Ｂ）間に放電（５）が生
じ、レーザ発振器（１）内に満たされているレーザ媒質
ガス（４）が励起される。この励起されたレーザ媒質ガ
ス（４）をはさんで全反射鏡（６）と部分透過鏡（７）
とか対応して配置されており、これらによって光共振器
が構成され、レーザ光（８）が発振する。レーザ光（８
）は部分透過鏡（７）から外部へ出力される。一方、全
反射鏡（６）から外部へ出力されるレーザ光の一部（８
ａ）は、出力検出器（９）に入力されており、二の出力
検出器（９）によってレーザ光（８）の強度に比例した
電気信号がレーザ出力フィードバック信号（１０）とし
て出力される。

このレーザ出力フィードバック信号（ｌＯ〉と、出力設
定器（１１）の出力信号との差は、誤差増幅器（１２）
によって増幅され、設定信号切換器（１４）へ、前記両
信号の偏差信号として出力される。

一方、制御方式選択スイッチ（１５）は、レーザ発振器
（１）の制御方式を選択するもので、例えば、レーザ光
（８）の出力を一定に制御する方式を選択するときには
、このスイッチをオン（以下ＯＮと記す）とし、放電（
５）に供給する放電電流を一定に制御する方式を選択す
るときには、このスイッチをオフ（以下ＯＦＦと記す）
とする。

そして、設定信号切換器（１４）は、制御方式選択スイ
ッチ（Ｉ５）がＯＮのときには、その２つの入力信号の
うち誤差増幅器（１２）からの入力信号を選択して電源
（２）へ出力する。逆に、制御方式選択スイッチ（１５
）がＯＦＦのときには、その２つの入力信号のうち、放
電電流設定器（１３）からの入力信号を選択して、電源
（２）へ出力する。

第７図は設定信号切換器（１４）の論理回路の一例を示
す回路図であり、制御方式選択スイッチ（１５）をＯＮ
にすると、インバータ（１４Ａ）の出力が“Ｈ”レベル
となり、第１のアナログスイッチ（１４Ｂ）がＯＮして
、誤差増幅器（１２）の出力が電源（２）へ伝達され、
その結果、出力制御が行われる。このとき、第２のアナ
ログスイッチ（１４ｃ）はＯＦＦしている。

制御方式選択スイッチ（Ｉ５）をＯＦＦにすると、第２
のアナログスイッチ（１４Ｃ）がＯＮして、放電電流設
定器（１３）の出力が電源（２）へ伝達され、その結果
、電流制御が行われる。このとき、第１のアナログスイ
ッチ（１４Ｂ）はＯＦＦしている。

なお、Ｐは正電源、Ｒは抵抗である。

ここで、出力を一定に制御する制御方式のことを出力制
御、放電電流を一定に制御する制御方式のことを電流制
御と呼ぶことにする。

すなわち、出力制御の場合は、所望の出力設定値と出力
フィードバック値との偏差を増幅した信号が電源（２）
に与えられ、電源（２）はその信号を目標値として、放
電電流を放電（５）に対して供給する。

一方、電流制御の場合は、所望の放電電流設定値、すな
わち放電電流設定器（１３）の出力信号が電源に与えら
れ、電源（２）はその信号を目標値として、放電電流を
一定に制御する。

以下、上記の動作について、もう少し詳細に説明する。

第８図は電源（２）を示すブロック図である。第８図に
おいて、（２Ａ）は商用電源（２５）からの交流を整流
するコンバータ部、（２Ｂ）はコンバータ部（２人）の
整流出力を平滑するＬＣフィルタ部、（２Ｃ）は直流を
交流に逆変換するインバータ部、（２Ｄ）はインバータ
部（２Ｄ）と負荷とを絶縁すると共に昇圧を行なう高周
波トランス部、（２Ｅ）は電流検出部、（２Ｆ）は誤差
増幅器、（２Ｇ）は駆動アンプ部である。

先ず、電流制御の場合は、設定信号切換器（１４）の動
作により、電源（２）へ人力される設定信号ｅＲＥＦは
、放電電流設定器（１３）の出力信号となる。

一方、電流検出部（２Ｅ）は、放電電流ｉ、に比例した
信号ｅ　を出力する。これらｅＰＢ’　　ＲＥＦが誤Ｂ差増幅部（２Ｆ）に入力されて、演算され、ｅＦＢ＜ｅ
ＲＥＦのときは、放電電流１ｐを増加させるべく、駆動
アンプ部（２Ｇ）、ンバータ部（２Ｃ）が動作する。

ｅＦＢ＞ｅＲＥＰのときは、放電電流ｉｐを減少させる
ように動作する。つまり、ｅ　ζｅ　　となるＦＢ　　
　ｌ？ＥＦように、定電流制御が行なわれる。

次に、出力制御の場合は、設定信号切換器（Ｉ４）の動
作により、電源（２）へ入力される設定信号ｅＲＥＦは
誤差増幅器（１２）の出力信号となる。すなわち、レー
ザ出力フィードバック信号（ｌＯ）と出力設定器（１１
）の出力信号（以下、この出力信号を出力設定信号（１
７）と呼ぶことにする）との差を増幅した信号が、ｅ　
　となる。

ＲＥＦつまり、信号（１０）＜信号（１７）のときは、ｅＲＥ
Ｆ〉０となり、信号（１０）＞信号（１７）のときは、ｅ　ＲＥＰ　＜
　０となる。

一方、電流制御のときと同様、電流検出部（２Ｅ）は放
電電流ｉ　に比例した信号ｅＦＢを出力する。

これらｅＰＢ’　　ＲＥＦが誤差増幅部（２Ｆ）に入力
されて演算され、ｅ　　＜ｅ　　　のとき（このとき、
信ＰＢ　　　ＲＥＰ号（１０）＜信号（１７）、ｅ　　　＞Ｑとなっている
）は、ＲＥＦ放電電流ｉ、を増加させるべく、駆動アンプ部（２Ｇ）
、インバータ部（２Ｃ）が動作し、その結果、レーザ出
力が増加して前記信号（１０）が増加して、信号（１０
）鴇信号（１７）に近づく。

また、ｅＰＢ＞ｅＲＥＰのとき（このとき信号（１０）
〉信号（１７）、ｅ　　　＜０となっている）は、放電
ＦＰ電流ｉ、を減少させるべく、駆動アンプ部（２Ｇ）。

インバータ部（２Ｃ）が動作し、その結果、レーザ出力
が減少して前記信号（ｌＯ）が減少して、信号（１０）
鴇信号（１７）に近づく。

このようにして、定出力制御が行なわれる。

［発明が解決しようとする課題］従来のレーザ出力制御装置は以上のように構成されてお
り、出力制御と電流制御を選択できるようになっている
。

しかし、出力制御の場合は、出力を一定に制御できる反
面、現状の出力検出器の応答性の制約により、出力の立
上り時を含む、出力設定急変時の追従性が遅いという問
題点があった。また、電流制御の場合は、応答性は良い
が、レーザ発振効率の劣化時に出力を一定に制御できな
いという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされ
たもので、レーザ光の過渡的な出力応答性が良く、かつ
静的な出力安定性にもすぐれたレーザ出力制御装置を得
ることを目的とする。

［ａ題を解決するための手段］この発明に係るレーザ出力制御装置は、レーザ光を出力
するレーザ発振器内に満たされたレーザ媒質に励起エネ
ルギを供給すると共に放電電流のフィードバック制御を
行なう電源を有し、出力制御及び電流制御の何れかを選
択して行なうことができるものにおいて、レーザ出力を
検出する出力検出器からのレーザ出力フィードバック信
号及び所望のレーザ出力を設定する出力設定器からの出
力設定信号に基づいて演算を行ない、出力制御を行なう
か電流制御を行なうかを決める切換タイミング信号を出
力するタイミング生成手段を設け、切換タイミング信号
を設定信号切換器に入力し、制御方式選択スイッチが出
力制御を選択したとき、タイミング生成手段が出力する
切換タイミング信号に従って、設定信号切換器が、レー
ザ出力フィードバック信号と出力設定信号との偏差信号
及び放電電流設定器の出力信号のうちの何れかを選択し
て電源に出力するものである。

［作用］この発明においては、タイミング生成手段が、レーザ出
力を検出する出力検出器からのレーザ出力フィードバッ
ク信号及び所望のレーザ出力を設定する出力設定器から
の出力設定信号に基づいて演算を行ない、出力制御を行
なうか電流制御を行なうかを決める切換タイミング信号
を出力し、設定信号切換器が、制御方式選択スイッチが
出力制御を選択したとき、タイミング生成手段の出力す
る切換タイミング信号に従って、レーザ出力フィードバ
ック信号と出力設定信号との偏差信号及び放電電流設定
器の出力信号のうちの何れかを選択して電源に出力する
から、レーザ出力を一定に制御する出力制御と放電電流
を一定に制御する電流制御とをダイナミックに切換える
ことができる。

［実施例］以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例によるレーザ出力制御装置
を示すブロック図である。第１図において、（１）〜（
１３）　、　（１５）の部分は第６図に示す従来例と同
じである。（１Ｂ）はタイミング生成手段であり、出力
検出器（９）の出力信号である出力フィードバック信号
（１０）及び出力設定器（１１）の出力信号である出力
設定信号（１７）を入力とする。ここで、タイミング生
成手段（１６）の出力信号を切換タイミング信号（１８
）と呼び、これは、設定信号切換器（１４０）に入力さ
れている。

次に、第２図について説明する。第２図はタイミング生
成手段（１６）の内部をもう少し詳細に説明したブロッ
ク図である。第２図において、（１９Ａ）は第１の演算
器、（１９Ｂ）は第２の演算器、（２０＾）は第１のコ
ンパレータ、（２０Ｂ）は第２のコンノずレータ、（２
１）はＯＲ回路（論理和回路）である。第１図の出力検
出器（９）の出力信号である出力フィードバック信号（
ｌＯ）は、第２図の第１のコンＸレータ（２ＯＡ）及び
第２のコンパレータ（２０Ｂ）に接続されている。また
、第１図の出力設定器（１１）の出力信号である出力設
定信号（１７）は、第２図の第１の演算器（１９Ａ）及
び第２の演算器（１９Ｂ）に接続されている。また、第
２図のＯＲ回路（２１）の出力信号である切換タイミン
グ信号（１Ｂ）は、第１図の設定信号切換器（１４）に
接続されている。

以下、この発明の一実施例について、その動作を説明す
る。

第２図において、第１の演算器（１９Ａ）は、入力され
た出力設定信号（１７）に対し、ｖｏｌ−に１Ｘｖ１１
（ｋ、＞１）のような演算を行う。ここで、■　は第１
の演算器（１９Ａ）の出力信号を、ｖ１□は旧第１の演算器（１９Ａ）の入力信号、すなわち、出力設
定信号（１７）を表わす。ｋｌは定数である。また、第
２の演算器（１９Ｂ）は、入力された出力設定信号（１
７）に対し、ｖ　　−ｋ　　ｘ　ｖ　ｌ　２　＜　ｋ２
　＜　１　）のような演算を行う。ここで、ｖｏｌは第
２の演算器（１９Ｂ）の出力信号を、ｖ１□は入力信号
、すなわち、出力設定信号（１７）を表わす。ｋ２は定
数である。

次に、第１のコンパレータ（２ＯＡ）は、２つの入力信
号Ｖ。１及び出力フィードバック信号（１０）　（以下
これをｖｆＢと言う）に対し、比較を行い、ｖｏｌ〉■
　のとき、二値信号の“Ｌ”を、ｖｏ１≦ｖｆＢＢのとき、“Ｈ″を出力する。

一方、第２のコンパレータ（２０Ｂ）は、２つの入力信
号Ｖ　及びｖｆＨに対して、ｖ０２≧ｖｒＢのとき“Ｈ
“を、ｖｏｌ＜ｖｒＢのとき“Ｌ”を出力する。

次に、ＯＲ回路（２１）は、第２のコンパレータ（２Ｏ
Ａ）及び第２のコンパレータ（２０Ｂ）の出力の論理和
をとって、二値信号を出力し、これが切換タイミング信
号（１８）となる。

すなわち、以上の動作をまとめると、ｖｆＢ≦■　また
は■ｏ１≦ｖｆＢのとき、切換タイミング信号（１８）
は“Ｈ”　となり、ｖｏｌくｖｆＢくｖｏｌの場合、切
換タイミング信号（１８）は“Ｌ”となる。（上述の式
よりｖｏｌくｖｏｌである。）次に、第１図の設定信号切換器（１４０）の動作につい
て説明する。設定信号切換器（１４０）は、従来例と同
様に、２つの入力信号（誤差増幅器（１２）の出力信号
及び放電電流設定器（１３）の出力信号である放電電流
設定信号）のうち、いずれか１つを選択して、電源（２
）へ出力するという動作をする。

第１図において、切換タイミング信号（１８）が“Ｈ２
のとき、すなわち、ｖｆＢ≦ｖｏ２またはｖｏ１≦ｖｆ
Ｂのときは、設定信号切換器（１４０）は、この“Ｈ“
信号により、２つの入力信号のうち、放電電流設定器（
１３）からの入力信号を選択して電源（２）へ出力する
。すなわち、第１図の装置は、このとき電流制御を行う
。逆に、切換タイミング信号（１８）が“Ｌｏのとき、
すなわち、Ｖ　Ｏ２＜　Ｖ　ｒＢ＜ｖｏｌのときは、設
定信号切換器（１４０）は、この“Ｌ”信号により２つ
の入力信号のうち、誤差増幅器（１２）からの入力信号
を選択して電源（２）へ出力する。すなわち、第１図の
装置は、このとき出力制御を行う。

第３図は上述した動作をタイムチャートで表わしたもの
である。第３図（ａ）において、実線は出力フィードバ
ック信号ｖｆＢを、破線は出力設定信号（１７）を示す
。また、出力設定信号（１７）の上下の一点鎖線は、そ
れぞれ、ｖｏｌ及びＶ。２を示す。第３図において、時
刻１０でレーザ発振がスタートしたとき、時間ｔｏ〜１
１の間は、ｖｆＢ≦ｖｏ２なので、切換タイミング信号
（１８）は“Ｈ“となる。

すなわち、この間は電流制御が行われる。時間ｔ　１　
′ｔ　２の間は１１ｖｏ２＜ｖｒＢ＜ｖｏｌなので、切
換タイミング信号（１８）は“Ｌ”となる。すなわち、
この間は出力制御が行われる。次に、時刻ｔ２で出力設
定信号（１７）が急変した場合は、時間ｔ２〜ｔ　の間
は、■ロー≦ｖｒＢなので、切換タイミング信号（１８
）は再び“Ｈ′となり、電流制御が行われる。そして、
時刻ｔ　以降でｖｏ２＜ｖｒＢ＜ｖｏｌとなり、切換タ
イミング信号（１８）は“Ｌ”に転し、出力制御が行わ
れる。第３図（ｂ）　、　（ｃ）で上記動作の様子を示
す。

このタイミング生成手段（１Ｂ）は、以上説明したよう
に、出力設定器（１１）の出力部及び出力検出器（９）
の出力部に接続されており、さらに設定された出力値と
検出された出力値を演算できるような回路から構成され
ており、例えば出力の立上り時に、設定された出力値の
８０％に、検出した出力値が到達すると、設定信号切換
器（１４０）に信号に出力し、設定信号切換器（１４０
）はこの信号を受けて、２つの入力信号を切換えるもの
である。従って、第３図に示すように出力の立上り部や
、出力設定値の急変部などで一時的に、電流制御を使い
、定常状態では出力制御を使うというような制御方式が
簡単に実現できる。そのため、過渡的な出力応答性が良
く、かつ、静的な出力安定性にもすぐれたレーザ出力制
御装置が得られる。

なお、第１図において、制御方式選択スイッチ（１５）
は、従来例と同様、レーザ発振器の制御方式を選択する
ものであるが、上述したこの発明の一実施例の動作は、
制御方式選択スイッチ（１５）がＯＮのとき、すなわち
出力ｔｉｌｌ　ａｍを選択したときのみ有効となる。つ
まり、設定信号切換器（１４０）は、制御方式選択スイ
ッチ（１５）がＯＮのときのみ、切換タイミング信号（
１８）が有効となるような論理回路（１４１）を備えて
いる。逆に、制御方法選択スイッチ（１５）がＯＦＦの
ときは、切換タイミング信号（１８）は無効となり、従
来例と同様に電流制御が行われる。

これを第４図に従って説明すると、スイッチ（１５）が
ＯＮのときは、ＡＮＤ回路（１４Ｅ）の入力（２）が“
Ｈ”となり、切換タイミング信号（１８）はＡＮＤ回路
（１４Ｅ）を通過できる（有効）。このときＯＲ回路（
１４Ｆ）の動作により、切換タイミング信号（１８）が
“Ｈ“のときは電流制御、“Ｌｏのときは出力制御とな
る。

スイッチ（Ｉ５）がＯＦＦのときはＡＮＤ回路（１４Ｂ
）の入力（２）が“Ｌ”となり、切換タイミング信号（
１８）はＡＮＤ回路（１４Ｅ）を通過できない（無効）
。

このとき、ＯＲ回路（１４Ｆ）の動作により、電流制御
となる。

なお、第１図の実施例においては、タイミング生成手段
（１Ｂ）は、第２図のように第１及び第２の演算器（１
９Ａ）、（１９Ｂ）　、第１及び第２のコンパレータ（
２０Ａ）、（２０Ｂ）　、ＯＲ回路（２１）を用いて構
成しているが、これを第５図のように、第１．第２及び
第３のＡ／Ｄコンバータ（２２Ａ）、（２２Ｂ）及び（
２２Ｃ）、データバス（２３）、マイクロコンピュータ
（２４）を用いて構成し、前述した第２図の動作をマイ
クロコンピュータのソフトウェアに置き換えても実現で
き、同様の効果を奏する。

［発明の効果］この発明は以上説明したとおり、タイミング生成手段が
レーザ出力を検出する出力検出器からのレーザ出力フィ
ードバック信号及び所望のレーザ出力を設定する出力設
定器からの出力設定信号に基づいて演算を行ない出力制
御を行なうか電流制御を行なうかを決める切換タイミン
グ信号を出力し、設定信号切換器が、制御方式選択スイ
ッチが出力制御を選択したとき、タイミング生成手段の
出力する切換タイミング信号に従って、レーザ出力フィ
ードバック信号と出力設定信号との偏差信号及び放電電
流設定器の出力信号のうちの何れかを選択して電源に出
力するから、レーザ出力を一定に制御する出力制御と放
電電流を一定に制御する電流制御とをダイナミックに切
換えることができる。従って、過渡的な出力応答性が良
く、かつ、静的な出力特性にもすぐれたレーザ出力制御
装置が得られるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるレーザ出力制御装置
を示すブロック図、第２図は第１図のタイミング生成手
段の部分の詳細図、第３図は第１図のレーザ出力制御装
置の制御動作を示すタイムチャート図、第４図は第１図
の設定信号切換器の論理回路の一例を示す回路図、第５
図は第１図のタイミング生成手段の他の実施例を示す詳
細図、第６図は従来のレーザ出力制御装置を示すブロッ
ク図、第７図は第６図の設定信号切換器の論理回路の一
例を示す回路図、第８図は第６図の電源の部分のブロッ
ク図である。図において、（１）はレーザ発振器、（２）は電源、（
３Ａ）　、　（３Ｂ）は電極、（４）はレーザ媒質ガス
、（５）は放電、（６）は全反射鏡、（７）は部分透過
鏡、（８）　、　（８ａ）はレーザ光、（９）は出力検
出器、＜１０＞はレーザ出力フィードバック信号、（１
１）は出力設定器、（１２）は誤差増幅器、（１３）は
放電電流設定器、（１４）は設定信号切換器、（１５）
は制御方式選択スイッチ、（１６）はタイミング生成手
段、（１７）は出力設定信号、（１８）は切換タイミン
グ信号である。なお、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。代理人　弁理士　佐々木　宗　治

Claims

【特許請求の範囲】

レーザ光を出力するレーザ発振器内に満たされたレーザ
媒質に励起エネルギを供給すると共に放電電流のフィー
ドバック制御を行なう電源と、レーザ出力を検出しレー
ザ出力フィードバック信号として出力する出力検出器と
、所望のレーザ出力を設定するための出力設定信号を出
力する出力設定器と、所望の放電電流を設定するための
放電電流設定信号を出力する放電電流設定器と、前記レ
ーザ出力フィードバック信号と前記出力設定信号との偏
差信号及び前記放電電流設定器の出力信号を入力とし、
出力が前記電源に接続された設定信号切換器と、この設
定信号切換器に接続され出力制御または電流制御の何れ
かを選択する制御方式選択スイッチと、前記レーザ出力
フィードバック信号及び出力設定信号に基づいて演算を
行ない、出力制御を行なうか電流制御を行なうかを決め
る切換タイミング信号を出力するタイミング生成手段と
を備え、前記設定信号切換器は前記制御方式選択スイッ
チが出力制御を選択したとき前記タイミング生成手段が
出力する切換タイミング信号に従って、二つの入力信号
のうちの何れかを選択して出力する動作を行なうことを
特徴としたレーザ出力制御装置。