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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laservorrichtung zur Steuerung von Laserleistung. Insbesondere betrifft sie eine Laservorrichtung zur stabilen Steuerung sehr geringer Laserleistung.
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2. Beschreibung des in Zusammenhang stehenden Stands der Technik
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Die Leistung einer Hochleistungslaservorrichtung beträgt typischerweise bis zu mehreren kW. Wie öffentlich bekannt, werden solche Hochleistungslaser zum Schneiden von Grobblechen, zum Tiefschweißen und dergleichen verwendet.
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Im Gegensatz dazu kann die Laservorrichtung einen sehr schwachen Laserstrahl von 10% oder weniger der Nennleistung abgeben. Wenn ein sehr schwacher Laserstrahl abgegeben wird, ist es möglich, Zeichen auf einer Werkstückoberfläche mit dem Laser zu anzuzeichnen, in der nächsten Stufe verwendete Hilfs- oder Führungslinien zu zeichnen und dergleichen, oder die Werkstückoberfläche zu modifizieren, ohne die Werkstückoberfläche (durch Aufschmelzen) zu erweichen.
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Wenn beispielsweise eine Maschine zum Laserstrahlschneiden mit einem Laseroszillator, dessen Nennleistung 6 kW beträgt, für eine Durchschnittsleistung von 4,5 kW bei einer Pulsfrequenz von 700 Hz mittels Sauerstoff als Hilfsgas ausgelegt ist, kann sie eine Stahlplatte von 30 mm Dicke mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 550 mm/min schneiden. Weiterhin kann, wenn eine solche Maschine zum Laserstrahlschneiden für eine Leistung von 50 W ± 10 W bei einer Pulsfrequenz von 1000 Hz mittels dem Sauerstoff als Hilfsgas ausgelegt ist, ein Anzeichnen mittels Laser an einer Stahlplattenoberfläche mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 5000 mm/mm durchgeführt werden.
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Wenn jedoch ein sehr schwacher Laser von 10% oder weniger der Nennleistung abgegeben wird, ist die Laservorrichtung empfindlich für eine äußere Umgebung und eine Innentemperatur, und deshalb neigt die Laserleistung dazu, instabil zu werden.
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Dies liegt daran, dass in einem Bereich, in dem eine sehr geringe Laserleistung abgegeben wird, die Laseroszillation sich in Reaktion auf eine Einspeisung von Anregungsenergie empfindlich verändert.
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Im Fall des vorstehend genannten Laseroszillators, dessen Nennleistung 6 kW beträgt, entspricht die zum Erhalt der Nennleistung in ein Lasermedium eingespeiste Energie 30 kW. Folglich unterscheiden sich die thermischen Bedingungen des Laserresonators, einschließlich des Lasermediums und einer Optik, bevor und nachdem die Nennleistung erreicht wird. Unter solchen Umständen wird die sehr geringe Laserleistung von 10% oder weniger der Nennleistung durch die thermischen Bedingungen des Laseroszillators stark beeinträchtigt und im Ergebnis wird die Laserleistung instabil.
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Diesbezüglich wird gemäß der
japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung der Nr. 2006-344722 in jedem von einer Vielzahl von Laseranregungsbereichen eine Entladungsphase, ein Auslastungsgrad, und eine Pulsfrequenz voneinander abweichend gesteuert, so dass die sehr geringe Laserleistung stabil gesteuert werden kann.
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Jedoch ist der in der
japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung der Nr. 2006-344722 offenbarte Aufbau unter Berücksichtigung der Vielzahl an Laseranregungsbereichen im Wesentlichen derselbe wie der Aufbau, bei dem eine Vielzahl an Abschnitten in einem Anregungsbereich wahlweise angeregt werden. Folglich wird ein Schwankungsverhältnis der Laserleistung zur eingespeisten Energie zur Laseranregung nicht verändert. Somit bleibt weiterhin, da die sehr geringe Laserleistung empfindlich auf Veränderungen der Anweisungswerte reagiert, auch in der
japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung der Nr. 2006-344722 das Problem einer schwierig zu steuernden geringen Laserleistung.
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Die vorliegende Erfindung kam im Licht dieser Umstände zustande und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laservorrichtung mit verbesserter Steuerbarkeit bereitzustellen, die eine sehr geringe Laserleistung selbst bei einem Hochleistungslaser stabil ausgeben kann.
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Kurzfassung der Erfindung
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Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem ersten Aspekt eine Laservorrichtung bereitgestellt, umfassend: einen ersten Laseranregungsbereich und einen zweiten Laseranregungsbereich, die zueinander in Reihe angeordnet sind; eine erste Leistungsversorgungseinheit, die eine erste Energie in den ersten Laseranregungsbereich einspeist; und eine zweite Leistungsversorgungseinheit, die eine zweite Energie in den zweiten Laseranregungsbereich einspeist, wobei die erste Leistungsversorgungseinheit eine vorbestimmte Anregungsenergie in den ersten Laseranregungsbereich als die erste Energie einspeist, die gleich zu einer oder größer als eine kritische Einspeisungsenergie ist, bei der eine Laseroszillation beginnt, und die zweite Leistungsversorgungseinheit eine Energie in den zweiten Laseranregungsbereich als die zweite Energie einspeist, die zwischen einer zur vorbereitenden Entladung des Entladungsrohres erforderlichen vorbereitenden Anregungsenergie und der kritischen Einspeisungsenergie ist, zur Steuerung einer Laserleistung.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Laservorrichtung bereitgestellt, die eine Leistungsversorgungseinheit umfasst, die Energie in einen Laseranregungsbereich einspeist, wobei die Leistungsversorgungseinheit die Energie in einer pulsartigen Weise einspeist zwischen einer ersten Energie und einer zweiten Energie, die geringer als die erste Energie ist, wobei die erste Energie eine vorbestimmte Anregungsenergie ist, die gleich zu einer oder größer als eine kritische Einspeisungsenergie ist, bei der eine Laseroszillation beginnt, und die zweite Energie zwischen einer zur vorbereitenden Entladung des Entladungsrohres erforderlichen vorbereitenden Anregungsenergie und der kritischen Einspeisungsenergie ist, und die Leistungsversorgungseinheit die zweite Energie zwischen der vorbereitenden Anregungsenergie und der kritischen Einspeisungsenergie verändert, zur Steuerung einer Laserleistung.
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Gemäß einem dritten Aspekt, im ersten oder zweiten Aspekt, ist die zweite Energie durch Addition oder Substraktion eines vorbestimmten Versatzes der Anregungsenergie zu/von der vorbereitenden Anregungsenergie eingestellt.
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Gemäß einem vierten Aspekt, im ersten oder zweiten Aspekt, umfasst die Laservorrichtung ferner einen Speicherabschnitt, der einen entsprechenden Zusammenhang, als eine Datentabelle oder Funktion, speichert zwischen einem Sollwert der Laserleistung, der ersten Energie und einer gemäß dem Sollwert der Laserleistung und der ersten Energie bestimmten zweiten Energie, wobei die zweite Energie bestimmt ist auf Grundlage des Sollwerts der Laserleistung, der in Programmen zum Betrieb der Laservorrichtung bestimmten ersten Energie und der durch den Speicherabschnitt gespeicherten Datentabelle oder Funktion.
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Gemäß einem fünften Aspekt, im ersten oder zweiten Aspekt, umfasst die Laservorrichtung ferner: einen Anweisungserzeugungsabschnitt, der Anweisungswerte der ersten und zweiten Energien entsprechend einem Sollwert der Laserleistung erzeugt; einen Leistungserfassungsabschnitt, der einen Erfassungswert der Laserausgangsleistung von der Laservorrichtung erhält; und einen Anweisungsberechnungsabschnitt, der den Anweisungswert der zweiten Energie aktualisiert gemäß einer vorbestimmten Berechnung auf Grundlage der durch den Anweisungserzeugungsabschnitt erzeugten Anweisungswerte der ersten und zweiten Energien und des durch den Leistungserfassungsabschnitt erfassten Erfassungswerts der Laserleistung.
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Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher werden im Licht der ausführlichen Beschreibung von beispielhaften Ausführungsbeispielen davon, wie durch die Zeichnungen veranschaulicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein schematisches Schaubild, das einen allgemeinen Aufbau einer Laservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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2 ist ein schematisches Schaubild, das einen Zusammenhang zwischen einer in einen Laseranregungsbereich eingespeisten Energie E und einer Laserleistung P veranschaulicht;
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3a ist ein Schaubild, das einen Zusammenhang zwischen einer Zeit t und der Einspeisungsenergie E in der herkömmlichen Weise veranschaulicht;
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3b ist ein Schaubild, das einen Zusammenhang zwischen der Zeit t und der Einspeisungsenergie E in einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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4a ist ein Schaubild, das einen Zusammenhang veranschaulicht zwischen einer Energie Ein in einem ersten Laseranregungsbereich und der Laserleistung P, wenn eine Energie Es in einem zweiten Laseranregungsbereich bei einem kritischen Einspeisungsniveau Et in der herkömmlichen Weise festgelegt ist;
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4b ist ein Schaubild, das einen Zusammenhang veranschaulicht zwischen der Energie E im zweiten Laseranregungsbereich und der Laserleistung P, wenn die Energie Ein im ersten Laseranregungsbereich bei einem größeren Wert festgelegt ist als die kritische Einspeisungsenergie Et im ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5a ist ein anderes Schaubild, das einen Zusammenhang zwischen der Zeit t und der Einspeisungsenergie E in der herkömmlichen Weise veranschaulicht;
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5b ist ein Schaubild, das einen Zusammenhang zwischen der Zeit t und der Einspeisungsenergie E in einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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6a ist ein Schaubild, das einen Zusammenhang zwischen hoher Energie E1 und der Laserleistung P veranschaulicht, wenn die hohe Energie in einem Bereich gleich zur oder größer als das kritische Einspeisungsniveau Et verändert wird, während eine geringe Energie bei einer vorbereitenden Anregungsenergie Eb festgelegt ist;
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6b ist ein Schaubild, das einen Zusammenhang zwischen der geringen Energie E2 und der Laserleistung P veranschaulicht, wenn die geringe Energie E2 zwischen der vorbereitenden Anregungsenergie Eb und der kritischen Einspeisungsenergie Ft verändert wird, während die hohe Energie E1 festgelegt ist bei einem Wert gleich zur oder größer als die kritsche Einspeisungsenergie Et im zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7a bis 7c sind Schaubilder, die einen Zusammenhang zwischen der Zeit t und der Energie E veranschaulichen, wenn die vorbereitende Anregungsenergie Eb in den ersten und zweiten Laseranregungsbereichen eingespeist wird;
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8 ist ein funktionales Blockschaltbild in Bezug auf eine zweite Hochfrequenz-Leistungsversorgungseinheit; und
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9 ist ein Schaubild, das einen Zusammenhang zwischen der in den zweiten Laseranregungsbereich eingespeisten Anregungsenergie Es und der Laserleistung P veranschaulicht.
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Ausführliche Beschreibung
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. In den Zeichnungen sind gleiche Elemente durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Um das Verständnis zu erleichtern, wurde der Maßstab dieser Zeichnungen geeignet verändert.
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1 ist ein schematisches Schaubild, das einen allgemeinen Aufbau einer Laservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Wie öffentlich bekannt ist, nimmt eine Laserleistung zu oder ab durch Erhöhen oder Verringern einer in eine Vielzahl von Anregungsbereichen der Laservorrichtung eingespeisten Energie. In diesem Fall kann die Energie zeitgleich auf all die Anregungsbereiche angewandt werden, oder sie kann aufeinanderfolgend auf die Vielzahl an Anregungsbereichen angewandt werden. Im Fall eines Gaslasers, wie in der vorliegenden Erfindung, sind die Anregungsbereiche in einem elektrischen Entladungsrohr ausgebildet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen Gaslaser beschränkt, und ein Festkörperlaser kann angewandt werden. Im Fall des Festkörperlasers ist zu beachten, dass die Anregungsbereiche in einem Kristallstab oder einem Lichtwellenleiter ausgebildet sind. Nachstehend wird der Fall, in dem der Gaslaser verwendet wird, beschrieben werden.
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Eine in 1 veranschaulichte Laservorrichtung 1 umfasst vor allem eine computernumerische Steuerung 10 (CNC 10) und einen Laseroszillator 20. Der Laseroszillator 20 ist ein Entladungsanregungslaser, der eine verhältnismäßig hohe Leistung abgibt. Dieser Laseroszillator 20 umfasst ein Entladungsrohr 26, in dem ein Rückreflektionsspiegel 23 und ein Auslassspiegel 24 zueinander gegenüberstehend angeordnet sind. Hierbei ist der Auslassspiegel 24 teildurchlässig und sein Transmissionsgrad beträgt etwa 20% bis 80%. Zudem ist der Rückreflektionsspiegel 23 fast nicht durchlässig und sein Transmissionsgrad beträgt nur 0,1%.
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Ferner ist ein Laserleistungssensor 25 hinter dem Rückreflektionsspiegel 23 angeordnet. Vom Rückreflektionsspiegel 23 entnommenes Laserlicht wird durch den Laserleistungssensor 25 erfasst und dessen Lasererfassungswert Pm ist ein Eingangssignal zu einem Anweisungsberechnungsabschnitt 12 der CNC 10.
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Bezugnehmend auf 1 sind zwei Elektrodenpaare 21 und 22 zur Entladung vorgesehen in einem optischen Resonanzraum zwischen Rückreflektionsspiegel 23 und Auslassspiegel 24 und sind derart angeordnet, dass sie das Entladungsrohr 26 sandwich-artig umgeben. Diese Elektrodenpaare 21 und 22 haben identische Abmessungen und sind mit einer dielektrischen Beschichtung bedeckt. In dieser Patentbeschreibung wird ein Raum zwischen dem Entladungselektrodenpaar 21 als ein erster Laseranregungsbereich A bezeichnet und ein Raum zwischen dem Entladungselektrodenpaar 22 wird als ein zweiter Laseranregungsbereich B bezeichnet.
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Ferner sind diese Elektrodenpaare 21 und 22 zur Entladung mit einer ersten Hochfrequenz-Leistungsversorgungseinheit PSU1 bzw. einer zweiten Hochfrequenz-Leistungsversorgungseinheit PSU2 verbunden. Abstimmungsschaltkreise (nicht gezeigt) sind zwischen den Entladungselektrodenpaaren 21 und 22 und den ersten bzw. zweiten Hochfrequenz-Leistungsversorgungseinheiten PSU1 bzw. PSU2 vorgesehen.
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Außerdem sind die erste und zweite Hochfrequenz-Leistungsversorgungseinheit PSU1 und PSU2 mit der CNC 10 verbunden. Den ersten und zweiten Laseranregungsbereichen A und B zugeführte Anregungsenergien Ein und Es werden durch die CNC 10 und die Hochfrequenz-Leistungsversorgungseinheiten PSU1 bzw. PSU2 gesteuert.
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Wie in 1 veranschaulicht, ist ein Gebläse 28 im Entladungsrohr 26 angeordnet und Wärmetauscher 27 und 27' sind in Strömungsrichtung vor- bzw. nachgelagert dem Gebläse 28 angeordnet. Ferner ist der Laseroszillator 20 mit einem Kühlwasser-Kreislaufsystem 34 verbunden, so dass Lasergas und dergleichen im Entladungsrohr 26 geeignet gekühlt werden können. Darüber noch hinaus kann ein Lasergasdruck-Steuersystem 33 das Lasergas dem Entladungsrohr 26 zuführen und das Lasergas vom Entladungsrohr 26 ablassen.
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Die CNC 10 ist ein Digitalrechner, der den Gesamtbetrieb des Laseroszillators 20 steuert. Wie dargestellt, fungiert die CNC 10 als ein Anweisungserzeugungsabschnitt 11, der Anweisungswerte zu den ersten und zweiten Anregungsenergien Ein und Es entsprechend einem Sollwert der Laserleistung Pt erzeugt. Ferner fungiert die CNC 10 als ein Anweisungsberechnungsabschnitt 12, der die Anweisungswerte der zweiten Anweisungsenergie Es aktualisiert gemäß einer vorbestimmten Berechnung auf Grundlage der durch den Anweisungserzeugungsabschnitt 11 erzeugten Anweisungswerte zu den ersten und zweiten Anregungsenergien Ein und Es und des durch den Laserleistungssensor 25 erfassten Lasererfassungswerts Pm.
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Ferner umfasst die CNC 10 einen Speicherabschnitt 13, der als eine Datentabelle oder Funktion im Voraus einen entsprechenden Zusammenhang speichert zwischen dem Sollwert der Laserleistung Pt, der Anregungsenergie Ein des ersten Laseranregungsbereichs A und einem Anweisungswert der Anregungsenergie Es für den zweiten Laseranregungsbereich B, die gemäß der Anregungsenergie Ein für den ersten Laseranregungsbereich A und dem Sollwert der Laserleistung Pt bestimmt wird. Dieser Speicherabschnitt 13 speichert auch Betriebsprogramme und verschiedene Daten zum Betrieb der Laservorrichtung 1. In die Betriebsprogramme sind die Anweisungswerte der Anregungsenergie Ein für den ersten Laseranregungsbereich 10 im Voraus geschrieben.
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2 ist ein Schaubild, das einen Zusammenhang zwischen einer in einen (einzigen) Laseranregungsbereich eingespeisten Energie E und der Laserleistung P veranschaulicht. Wie in 2 veranschaulicht, wird die Laserleistung P nicht erzeugt, wenn die Energie E gering ist. Wenn die Energie E eine kritische Einspeisungsenergie Et erreicht, beginnt eine Laseroszillation und die Laserleistung P wird erhalten. Es kann berücksichtigt werden, dass das verstärkte Laserlicht im Gleichgewicht mit dem Verlust des Laserlichts in einem Resonator ist. Dann, wenn wie in 2 veranschaulicht, die eingespeiste Anregungsenergie größer als die kritische Einspeisungsenergie ist, z. B. die Anregungsenergie Em, nimmt die Laserleistung P entsprechend zu.
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In vielen Laservorrichtungen, die gegenwärtig in der Praxis eingesetzt werden, muss eine vorbereitende Anregungsenergie Eb, die geringer als die kritische Anregungsenergie Et ist, in die Laseranregungsbereiche A und B im Voraus oder zu jederzeit eingespeist werden. Bei der vorbereitenden Anregungsenergie Eb wird die Laserleistung P nicht erzeugt. Jedoch kann durch Einspeisung der vorbereitenden Anregungsenergie Eb, wie vorstehend beschrieben, ein Entladungszustand im Entladungsrohr 26 aufrechterhalten werden und ein Überschießen des Laserleistungswerts in vorübergehenden Kenndaten (sog. ”transient characteristics”) kann bei der Abgabe des Lasers vermieden werden. Die Technik zur Einspeisung der vorbereitenden Anregungsenergie Eb, wie vorstehend beschrieben, kann als vorbereitende Entladung oder „köchelnde” Entladung (sog. ”simmer discharge”) bezeichnet werden.
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Die 3a und 3b sind Schaubilder, die einen Zusammenhang veranschaulichen zwischen einer Zeit t und der eingespeisten Energie E in der herkömmlicher Weise bzw. einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesen Figuren stellt die horizontale Achse die Zeit t dar und die vertikale Achse stellt die in die Laseranregungsbereiche A und B eingespeiste Energie E dar.
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Nachstehend wird unter Bezug auf diese Figuren ein Betrieb der Laservorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Wie in 3a veranschaulicht, ist in der herkömmlichen Weise die Anregungsenergie Ein im ersten Laseranregungsbereich A höher als die kritische Einspeisungsenergie Et und die Anregungsenergie Es wird nicht in den zweiten Laseranregungsbereich B eingespeist.
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4a ist ein Schaubild, das einen Zusammenhang veranschaulicht zwischen der Anregungsenergie Ein im ersten Laseranregungsbereich A und der Laserleistung P, wenn die Anregungsenergie Es im zweiten Laseranregungsbereich B bei der kritischen Einspeisungsenergie Et in der herkömmlichen Weise festgehalten wird. Wie aus 4a ersichtlich ist, wird die Soll-Laserleistung Pt erhalten, wenn eine Menge der Anregungsenergie Em1 in den ersten Laseranregungsbereich A eingespeist wird, während die kritische Einspeisungsenergie Et in den zweiten Laseranregungsbereich B eingespeist wird. Dann verändert sich, wie gezeigt, die Laserleistung P linear, wenn die Anregungsenergie Ein im ersten Laseranregungsbereich A gleich zur oder größer als die kritische Einspeisungsenergie Et ist.
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Jedoch ist, wie gezeigt, ein Winkel zwischen der die Energie Ein darstellenden horizontalen Achse und dem Ausdruck des Zusammenhangs verhältnismäßig groß. Folglich wird sich, falls sich die Anregungsenergie Ein im ersten Laseranregungsbereich A leicht verändert, die Laserleistung P signifikant verändern. Dadurch ist es schwierig, insbesondere wenn die Anregungsenergie Ein im ersten Laseranregungsbereich A nahe der kritischen Anregungsenergie Et ist, die sehr geringe Laserleistung P zu erzeugen.
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Dagegen ist im ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie in 3b veranschaulicht, die in den zweiten Laseranregungsbereich B eingespeiste Anregungsenergie Es gleich zur oder geringer als die kritische Einspeisungsenergie Et, während die Anregungsenergie Ein im ersten Laseranregungsbereich A größer als die kritische Einspeisungsenergie Et ausgeführt wird. Die Anregungsenergie Es im zweiten Laseranregungsbereich B ist größer als die vorbereitende Anregungsenergie Eb.
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4b ist ein Schaubild, das außerdem einen Zusammenhang veranschaulicht zwischen der Anregungsenergie Es in dem zweiten Laseranregungsbereich B und der Laserleistung P, wenn die Anregungsenergie Ein im ersten Laseranregungsbereich A bei einem höheren Wert als der kritischen Einspeisungsenergie Et festgehalten wird im ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 4b veranschaulicht, unterscheidet sich im ersten Ausführungsbeispiel eine Veränderungsrate der Laserleistung P abhängig davon, ob die Anregungsenergie Es im zweiten Laseranregungsbereich B gleich zur oder größer als die kritische Einspeisungsenergie Et ist, oder nicht.
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Genauer gesagt ist die Veränderungsrate der Laserleistung P, wenn die Anregungsenergie Es im zweiten Laseranregungsbereich B geringer als die kritische Einspeisungsenergie Et ist, geringer als die Veränderungsrate der Laserleistung, wenn die Anregungsenergie Es im zweiten Laseranregungsbereich B gleich zur oder größer als die kritische Einspeisungsenergie Et ist.
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Somit verändert sich, bei der vorliegenden Erfindung, die Laserausgangsleistung verhältnismäßig langsam in Bezug zur Energie E in einem Bereich, in dem die Laserleistung P verhältnismäßig gering ist. Folglich kann, wenn die Anregungsenergie Es im zweiten Laseranregungsbereich B geringer ist als die kritische Einspeisungsenergie Et, die sehr geringe Laserleistung P stabil erzeugt und einfach feinabgestimmt werden. Es ist verständlich, dass in diesem Fall, selbst wenn der Laseroszillator 20 thermischen Veränderungen ausgesetzt ist, die Laserleistung P wenig durch die thermischen Veränderungen beeinträchtigt wird.
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Im ersten Ausführungsbeispiel weist der Laseroszillator 20 zwei Hochfrequenz-Leistungsversorgungseinheiten PSU1 und PSU2 auf, und die zwei Laseranregungsbereiche A bzw. B entsprechen diesen. Jedoch kann, abhängig vom Typ der Laservorrichtung 1, der Laseroszillator 20 nur eine (einzige) Hochfrequenz-Leistungsversorgungseinheit und nur einen (einzigen) Anregungsbereich aufweisen. In einem nachstehend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel der Laservorrichtung 1 sind eine Hochfrequenz-Leistungsversorgungseinheit PSU2 und der zweite Laseranregungsbereich B nicht vorhanden.
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Die 5a und 5b sind Schaubilder, die einen Zusammenhang veranschaulichen zwischen der Zeit t und der Energie E in der herkömmlichen Weise bzw. dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in diesen Figuren gezeigt, sind eine hohe Energie E1 und eine geringe Energie E2 wechselweise Eingangssignal in einer pulsartigen Weise.
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Die hohe Energie E1 in der in 5a veranschaulichten herkömmlichen Weise ist höher als die kritische Einspeisungsenergie Et und die geringe Energie E2 entspricht der vorbereitenden Anregungsenergie Eb. In der herkömmlichen Weise wird die Laserleistung P gesteuert durch Verändern der hohen Energie E1 in dem Bereich, der höher als die kritische Einspeisungsenergie Et ist.
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Ferner zeigt 6a ein Schaubild, das einen Zusammenhang zwischen der Energie E und der Laserleistung P veranschaulicht, wenn die hohe Energie E1 verändert wird in einem Bereich, der gleich zur oder größer als die kritische Einspeisungsenergie Et ist, während die geringe Energie E2 bei der vorbereitenden Anregungsenergie Eb festgehalten ist. Wie in 6a veranschaulicht, verändert sich die Laserleistung P linear, wenn die hohe Energie E1 gleich zur oder größer als die kritische Einspeisungsenergie Et ist. Jedoch ist, auch in diesem Fall, ein Winkel zwischen der die hohe Energie E1 darstellenden horizontalen Achse und dem Ausdruck des Zusammenhangs verhältnismäßig groß, und es entstehen ähnliche Probleme wie vorstehend beschrieben.
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Dagegen wird beim in 5b veranschaulichten zweiten Ausführungsbeispiel die geringe Energie E2 zwischen der vorbereitenden Anregungsenergie Eb und der kritischen Einspeisungsenergie Et verändert, während die hohe Energie E1 bei einem Wert festgehalten wird, der gleich zur oder größer als die kritische Einspeisungsenergie Et ist. Wie aus 5b ersichtlich ist, kann eine Abweichung der geringen Anregungsenergie E2 bezüglich der vorbereitenden Anregungsenergie Eb als Abweichungsenergie E0 bezeichnet werden.
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6b ist ein Diagramm, das außerdem einen Zusammenhang zwischen der geringen Energie E2 und der Laserleistung P veranschaulicht, wenn die geringe Energie E2 zwischen der vorbereitenden Anregungsenergie Eb und der kritischen Einspeisungsenergie Et verändert wird, während die hohe Energie E1 bei einem Wert gleich zur oder größer als die kritische Einspeisungsenergie Et festgehalten wird.
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Wie in 6b veranschaulicht, ist die Veränderungsrate der Laserleistung P, wenn die geringe Energie E2 geringer als die kritische Einspeisungsenergie Et ist, geringer als die Veränderungsrate der Laserleistung P, wenn die geringe Energie E2 zwischen der kritischen Einspeisungsenergie Et und der hohen Energie E1 ist. Folglich ist ersichtlich, dass auch im zweiten Ausführungsbeispiel, wenn die geringe Energie E2 geringer als die kritische Einspeisungsenergie Et ist, die sehr geringe Laserleistung P stabil erzeugt und einfach feinabgestimmt werden kann.
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Die 7a bis 7c sind Schaubilder ähnlich der 3b, die einen Zusammenhang zwischen der Zeit t und der Energie E veranschaulichen, wenn die vorbereitende Anregungsenergie in den ersten und den zweiten Laseranregungsbereich A und B eingespeist wird. Wenn die Energie, wie vorstehend beschrieben, in den ersten und den zweiten Laseranregungsbereich A und B eingespeist wird, kann die Laserleistung P verändert werden durch Erhöhen der in den Laseranregungsbereich B eingespeisten Energie um die Abweichungsenergie E0 (7b), oder indem sie um die Abweichungsenergie E0 (7c) verringert wird.
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Auch in diesen Fällen ist ähnlich ersichtlich, dass die sehr geringe Laserleistung P stabil ausgegeben und einfach feinabgestimmt werden kann. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die zweite Energie verhältnismäßig groß ausgeführt werden muss. Die in den 7a bis 7c veranschaulichte Technik kann sowohl auf das erste wie das zweite vorstehende beschriebene Ausführungsbeispiel angewandt werden.
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Wie vorstehend beschrieben in Bezug auf 4a, wird die Anregungsenergie Ein im ersten Laseranregungsbereich A verändert, wenn die Anregungsenergie Es im zweiten Laseranregungsbereich B bei der kritischen Anregungsenergie Et festgehalten ist. Dagegen wird, wie in 4b gezeigt, die Anregungsenergie Es im zweiten Laseranregungsbereich B verändert, wenn die Anregungsenergie Ein im ersten Laseranregungsbereich A bei einem Wert festgehalten ist, der größer als die kritische Einspeisungsenergie Et ist.
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Wie aus den 4a und 4b ersichtlich, ist die Laserleistung in diesen Fällen nicht proportional zu einem Gesamtwert der in die ersten und zweiten Laseranregungsbereiche A und B eingespeisten Energie. Mit anderen Worten: Es ist schwierig, die ersten und zweiten Energien auf Grundlage der Laserleistung eindeutig zu berechnen.
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Folglich wird, in der vorliegenden Erfindung, wie in der nachstehend dargelegten Tabelle veranschaulicht, ein entsprechender Zusammenhang zwischen dem Sollwert der Laserleistung Pt, der Anregungsenergie Ein für den ersten Laseranregungsbereich A und ein Anweisungswert der Anregungsenergie Es für den zweiten Laseranregungsbereich B, der gemäß der Anregungsenergie Ein für den ersten Laseranregungsbereich A und dem Sollwert der Laserleistung Pt bestimmt ist, im Voraus im Speicherabschnitt
13 der CNC
10 als eine Datentabelle oder Funktion gespeichert. Inhalte dieser Datentabelle werden experimentell oder anderweitig erzeugt. Die nachstehend dargelegte Tabelle 1 veranschaulicht, dass ein Teil dieses entsprechenden Zusammenhangs in Form der Datentabelle abgespeichert ist.
| Bedingungsnummer | Soll-Laserleistung Pt | erste Anregungs- energie Em | zweite Anregungsenergie Es |
| Bedingung 1 | 50 W | 2000 W | 1600 W |
| Bedingung 2 | 100 W | 2000 W | 1700 W |
| Bedingung 3 | 150 W | 2000 W | 1780 W |
| Bedingung 4 | 50 W | 2100 W | 1610 W |
| Bedingung 5 | 100 W | 2100 W | 1670 W |
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In die Programme zum Betrieb der Laservorrichtung 1 wird der Anweisungswert der in den ersten Laseranregungsbereich A eingespeisten Anregungsenergie Ein geschrieben. Folglich wird, sobald der Sollwert der Laserleistung Pt bestimmt ist, der Anweisungswert der in den zweiten Laseranregungsbereich B einzuspeisenden Anregungsenergie Es automatisch bestimmt auf Grundlage der Programme und der Datentabelle.
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Typischerweise wird erst der Sollwert der Laserleistung Pt bestimmt, und dann wird der Anweisungswert der in den zweiten Laseranregungsbereich B einzuspeisenden Anregungsenergie Es bestimmt aus dem in die Programme geschriebenen Anweisungswert der in den ersten Laseranregungsbereich A eingespeisten Anregungsenergie Em. Wie vorstehend beschrieben, kann in der vorliegenden Erfindung die zweite Anregungsenergie Es einfach durch Verwendung der Datentabelle bestimmt werden. Alternativ kann der Anweisungswert der Anregungsenergie Es aus den links in der Tabelle 1 geschriebenen „Bedingungsnummern” bestimmt werden.
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Die Sollwerte der Laserleistung Pt in den Bedingungen 4 und 5 der Tabelle 1 stimmen mit den Sollwerten der Laserleistung Pt in den Bedingungen 1 bzw. 2 überein. Da jedoch die Anweisungswerte der Anregungsenergie Ein im ersten Laseranregungsbereich A in diesen Bedingungen voneinander verschieden sind, sind auch die Anweisungswerte der Anregungsenergie Es im zweiten Laseranregungsbereich B verschieden. Mit anderen Worten, um die Anregungsenergie Es im zweiten Laseranregungsbereich B zu bestimmen, sind sowohl die Laserleistung Pt und die Anregungsenergie Ein im ersten Laseranregungsbereich A notwendig.
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8 ist ein funktionales Blockschaltbild in Bezug auf eine zweite Hochfrequenz-Leistungsversorgungseinheit. Wenn eine Abgabebedingung Lx und ein Sollwert der Laserleistung Pt gegeben sind, berechnet die CNC 10 einen Anweisungswert Em* der Energie im ersten Laseranregungsbereich A gemäß einer vorbestimmten Formel. Alternativ wird ein in die Programme der Laservorrichtung 1 geschriebener Anweisungswert Em* der Energie im ersten Laseranregungsbereich A angewendet.
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Außerdem wird in der vorliegenden Erfindung ein in 8 veranschaulichter Rückkopplungsschaltkreis verwendet zur Berechnung des Anweisungswerts Es* der in den zweiten Laseranregungsbereich B einzuspeisenden Energie. Dadurch werden die Energien gemäß den Anweisungswerten Em* und Es* in die ersten und zweiten Laseranregungsbereiche A bzw. B eingespeist.
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Wie in 8 veranschaulicht, wird eine Differenz zwischen dem Anweisungswert der Laserleistung Pt und dem durch den Lasersensor 25 erfassten Lasererfassungswert Pm mit einem Verstärkungsfaktor G1 multipliziert. Da eine Intensität des vom Auslassspiegel 24 abgegebenen Laserlichts proportional zum Lasererfassungswert Pm ist, kann der Wert der Laserleistung an die CNC 10 gegeben werden durch Multiplizieren des Lasererfassungswerts Pm mit einem vorbestimmten Koeffizienten.
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Dann wird, durch Substrahieren des erfassten Werts Esm* der durch eine Überwachungseinheit M (sog. ”monitor M”) erfassten Einspeisungsenergie, und ferner durch Multiplizieren eines Verstärkungsfaktor G2, der Anweisungswert der in den zweiten Laseranregungsbereich B einzuspeisenden Anregungsenergie Es bestimmt. Diese Berechnung kann vom Anweisungsberechnungsabschnitt 12 ausgeführt werden.
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In anderen Worten, beim in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Anweisungswert der zweiten Anregungsenergie Es gemäß der folgenden Gleichung bestimmt: Es* = G2 × (G1 × (Pt – Pm) – Esm*)
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Wie aus dieser Gleichung ersichtlich ist, nimmt die Laserleistung durch die Wirkung der Es* schnell zu und ab, und die Intensität der Laserleistung Pt nähert sich dem Anweisungswert.
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Alternativ ist es auch wirkungsvoll, die Laserleistung vor einer Durchführung der Laserbearbeitung mittels des Lasers aus der Laservorrichtung 1 zu korrigieren. 9 zeigt ein Schaubild, das einen Zusammenhang veranschaulicht zwischen der in den zweiten Laseranregungsbereich eingespeisten Anregungsenergie Es und der Laserleistung P.
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Zuerst gibt die Hochfrequenz-Leistungsversorgungseinheit PSU1 die Anregungsenergie Ein an den ersten Laseranregungsbereich A ab. Dann wird die Laserleistung PA, wenn die Energie EA von der Hochfrequenz-Leistungsversorgungseinheit PSU2 eingespeist wird, und die Laserleistung PB, wenn die Energie EB eingespeist wird, erhalten. Dadurch wird eine in 9 veranschaulichte Leistungskennlinie berechnet. Unter Verwendung dieser Linie kann die für die in 9 veranschaulichte Laserleistung Pt erforderliche Einspeisungsanregungsenergie Es1 berechnet werden. Die Berechnung wird vom Anweisungsberechnungsabschnitt 12 der CNC10 ausgeführt. Unter Verwendung der wie oben beschriebenen erhaltenen Einspeisungsanregungsenergie Es1, kann die stabile Laserleistung Pt erhalten werden, und dadurch die Laserbearbeitung mit geringen Abweichung ausgeführt werden.
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Ferner kann unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Technik eine Korrektur durchgeführt werden, so dass die Einspeisungsanregungsenergie Es in der in Tabelle 1 dargelegten Datentabelle durch die Anregungsenergie Es1 ersetzt wird. Dadurch kann die Laserleistung genauer feinabgestimmt werden, ohne die Anweisungen in den Programmen der CNC 10 zu verändern.
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In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Erzeugen des Anweisungswerts der Anregungsenergie beschrieben. Jedoch kann, wenn die Menge der Anregungsenergie tatsächlich angewiesen wird, die Anweisung basieren auf einer Spannung oder einem Strom, die auf das Entladungsrohr 26 angewandt werden, oder einem Verhältnis zur der maximalen Einspeisungsenergie.
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Wirkung der Erfindung
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Im ersten Aspekt wird die erste Energie gleich zur oder größer als die kritische Einspeisungsenergie eingestellt und die zweite Energie wird zwischen der vorbereitenden Anregungsenergie und der kritischen Einspeisungsenergie eingestellt. Dadurch wird nur die zweite Energie verändert, um die Veränderungsrate der Laserleistung zu reduzieren. Folglich kann selbst im Fall der Hochleistungs-Laservorrichtung die Laserleistung stabil feinabgestimmt werden, insbesondere in dem Bereich, in dem die Laserleistung verhältnismäßig gering ist.
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Im zweiten Aspekt wird die Energie in einer pulsartigen Weise zugeführt zwischen der ersten Energie, die gleich zur oder größer als die kritische Einspeisungsenergie ist, und der zweiten Energie, die zwischen der vorbereitenden Anregungsenergie und der kritischen Einspeisungsenergie ist. Dadurch wird nur die zweite Energie verändert, um die Veränderungsrate der Laserleistung zu reduzieren. Folglich kann selbst im Fall der Hochleistungs-Laservorrichtung, die Laserleistung stabil feinabgestimmt werden, insbesondere in dem Bereich, in dem die Laserleistung verhältnismäßig gering ist. Der zweite Aspekt ist insbesondere vorteilhaft im Fall des einzelnen Laserbereichs.
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Im dritten Aspekt kann die Laserleistung stabil feinabgestimmt werden, selbst wenn die zweite Energie verhältnismäßig hoch ist.
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Im vierten Aspekt kann, unter Verwendung der Datentabelle, die zweite Energie einfach bestimmt werden.
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Im fünften Aspekt kann, durch Aktualisieren der zweiten Energie, die Laserleistung genauer feinabgestimmt werden.
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Obgleich die Erfindung gezeigt und beschrieben wurde anhand exemplarischer Ausführungsbeispiele derselben, sollte der Fachmann auf dem Gebiet verstehen, dass die vorstehenden und verschiedene andere Veränderungen, Auslassungen oder Hinzufügungen darin und dazu vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken des Umfangs der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2006-344722 [0008, 0009, 0009]