JP4185958B1 - ガスレーザ装置の立ち上げ方法及びガスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低い温度環境下にてレーザ発振器を立ち上げた場合でも、特別な部品、複雑なシステムを必要とせず、容易かつ安価に、高周波電源の出力電流を抑えてレーザ発振器を立ち上げることができる立ち上げ方法、及びそのような立ち上げ機能を備えたガスレーザ装置を提供する。
【解決手段】通常の圧力制御によればレーザガス圧は立ち上げ前の圧力ｐ１からｐ２まで徐々に上昇していくが、時刻ｔ３においてＤＣ電流が所定の閾値に達する場合、時刻ｔ３以降はＤＣ電流が閾値を超えないようにレーザガス圧のフィードバック制御を行うことにより、結果として上昇勾配がやや緩やかになってｐ２よりいくらか低いｐ２′まで徐々に上昇する制御がなされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスを励起媒体として使用するガスレーザ装置の立ち上げ方法に関し、特には、低温環境下にてガスレーザ装置を安全に立ち上げる方法に関する。また本発明は、そのような立ち上げ機能を備えたガスレーザ装置に関する。

一般に、レーザ放電管にレーザ媒質ガスを循環させる放電励起式のガスレーザ装置においては、レーザ発振器立ち上げ時は、レーザガス、共振器、発振器庫内及び冷却水等の温度が熱平衡状態に比べ低いので、立ち上げから一定時間経過までは放電負荷が過渡状態にある。ここで、特に低い温度環境下からレーザ発振器を立ち上げた場合は、発振器に高周波電力を供給するレーザ電源と放電負荷とのマッチングが変わり、レーザ電源のＤＣ電流が大きくなる。また、極端に低い温度環境下の場合は、そのＤＣ電流がアラームレベルまで上昇し、過電流アラームによって発振器が停止する場合もある。

従来、過渡状態にある放電負荷に対しては、高周波電源の出力電流を抑えてマッチングを自動的に最適化する方法として、マッチング回路の定数（コンデンサ、インダクタ）を変化させ、その時の負荷の状態に合わせる技術がある。例えば特許文献１には、高周波電源と放電管負荷とのマッチングを最適化する方法として、高周波の電圧、電流及び電圧と電流との位相差を検知し、それにより求められたインピーダンス及び位相を用いて、マッチングボックス内の可変マッチングコンデンサを制御する技術が開示されている。

また、特許文献２には、特許文献１にて利用される可変マッチングコンデンサを制御するパラメータがさらに増え、モータの制御方法がより複雑化した技術が開示されている。

特開平６−３２６５４３号公報 特開２００６−１６６４１２号公報

特許文献１又は２に記載されるような技術を適用すれば、レーザ発振器立ち上げ時の過渡状態のマッチングを最適化することは可能である。しかし、マッチング回路の定数を変化させ、その時の負荷の状態に合わせる方法は、マッチング回路の定数を変化させるために、モータ等の駆動系を制御する必要がある。従って特許文献１や２の技術を利用する場合、位相検出装置、可変コンデンサの電極間距離や有効面積を変化させるためのモータ、さらにはそのための制御装置等が必要となり、装置として複雑かつ高コストとなる虞がある。

そこで本発明は、低い温度環境下からレーザ発振器を立ち上げた場合でも、特別な部品や複雑なシステムを必要とせず、容易かつ安価に、高周波電源の出力電流を抑えてレーザ発振器を立ち上げることができる立ち上げ方法、及びそのような立ち上げ機能を備えたガスレーザ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、レーザ放電管にレーザガスを循環させ、高周波放電によりレーザを発生させる放電励起式ガスレーザ装置の立ち上げ方法であって、前記ガスレーザ装置が正常に立ち上がるときの、前記ガスレーザ装置のレーザ電源のＤＣ電源部の出力電流特性を、正常電流特性として予め記憶するステップと、前記ガスレーザ装置の立ち上げ時における前記レーザ電源のＤＣ電源部の出力電流を検出するステップと、前記ＤＣ電源部の検出された出力電流が前記正常電流特性に基づいて定められた閾値を超えないように、前記レーザ放電管内のレーザガスの圧力を制御するステップと、を有する立ち上げ方法を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の立ち上げ方法において、前記レーザガスの圧力を制御するステップは、前記ＤＣ電源部の検出された出力電流が前記閾値に達したときから前記レーザ放電管内のレーザガスの圧力を下げる方向に制御することを含む、立ち上げ方法を提供する。

請求項３に記載の発明は、レーザ放電管にレーザガスを循環させ、高周波放電によりレーザを発生させる放電励起式ガスレーザ装置において、前記ガスレーザ装置が正常に立ち上がるときの、前記ガスレーザ装置のレーザ電源のＤＣ電源部の出力電流特性を、正常電流特性として予め記憶する記憶手段と、前記ガスレーザ装置の立ち上げ時における前記レーザ電源のＤＣ電源部の出力電流を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された前記ＤＣ電源部の出力電流が前記正常電流特性に基づいて定められた閾値を超えないように、前記レーザ放電管内のレーザガスの圧力を制御する圧力制御手段と、を有する放電励起ガスレーザ装置を提供する。

本発明によれば、低い温度環境下でレーザ装置を立ち上げた場合でも、レーザガスの圧力制御によってレーザ電源のＤＣ電流が自動的に抑制されるので、過電流アラーム等によるレーザ発振器の停止が防止され、安全にレーザ発振器を立ち上げることができる。また、ＤＣ電流の検出やレーザガス圧力の制御は既存のシステム内で行えるため、過電流を検出する特殊な検出装置及びその処理、並びに可変コンデンサ及びそのためのモータ、制御装置を含む複雑なマッチングボックス等を必要としない。従って構造が簡単で安価なレーザ装置を提供することができる。

またレーザガスの圧力制御の具体的方法としては、ＤＣ出力電流が閾値に達したときからレーザガスの圧力を下げる方向に制御するという単純な方法が適用可能である。

図１は、本発明に係る立ち上げ方法を適用可能なレーザ装置１の構成例を示す図である。レーザ装置１は、レーザ発振器２、レーザ発振器２に電力供給するレーザ電源３及び制御部４を有し、制御部４は内蔵するＣＰＵ（図示せず）によりレーザ発振器２及びレーザ電源３の動作全般を制御する。

レーザ電源３は、ＤＣ電源部５及びＲＦ電源部６を含む高周波電源である。ＤＣ電源部５の出力は、制御部４から出力される出力指令７により制御され、ＲＦ電源部６により高周波電力に変換され、マッチングユニット８を通じて、レーザ発振器２の電極９に供給される。またレーザ電源３は、ＤＣ電源部５の出力電流を検出する検出部１０を有し、検出部１０の検出結果は出力電流信号１１として制御部４に入力される。

電極９の間はレーザ媒質であるレーザガスで満たされており、レーザガスは熱交換器１２で冷却されながら、ターボブロワ１３等の送風手段によりレーザ発振器２のガス循環路１４の内部を高速で循環している。圧力制御ユニット１５は、制御部４から出力される圧力制御信号１６により、レーザガスの圧力を制御する。具体的には、ガス循環路１４に設けられた給排気装置１７を制御して、圧力制御信号１６に応じてガス循環路１４に対するレーザガスの給排気量を調節する。またガス循環路１４には、レーザガスの圧力を測定監視モニタする圧力センサ１８が設けられ、圧力センサ１８から出力される圧力検出信号１９は圧力制御ユニット１５を通じて制御部４へ入力される。

レーザ発振器２は、上述の電極９を備えた放電管２０を有し、放電管２０の各端にはそれぞれ全反射鏡２１及び部分反射鏡２２が設けられる。放電管２０、全反射鏡２１及び部分反射鏡２２は協働して光共振器２３を構成している。電極９にレーザ電源３から高周波電力が供給されると、レーザガスが放電により励起され、光共振器２３において光が発生する。その光は全反射鏡２１と部分反射鏡２２との間で反射を繰り返しながら、誘導放出により増幅され、その一部は部分反射鏡２２からレーザ光２４として外部へ取り出され、レーザ加工等の用途に供される。

次に、レーザ装置１の立ち上げ方法について説明する。図２（ａ）は、レーザ装置１の立ち上げ時におけるＤＣ電源部の出力電流を示し、また図２（ｂ）はガス循環路内のレーザガス圧を図２（ａ）と同じ時間軸で示したグラフである。ここで図２（ａ）及び（ｂ）それぞれの実線グラフ３１及び３４は、通常の温度環境下から時刻ｔ１からｔ２にかけて（約２０〜３０秒間）立ち上げが正常に行われた場合のＤＣ電流及びレーザガス圧の変化、すなわち正常電流特性及び正常圧力特性を示す。なおグラフ３１及び３４は、過去の特定の正常データを用いてもよいし、いくつかの正常データの平均から求めてもよい。

ここで低い温度環境下からレーザ発振器を立ち上げた場合は、例えば破線グラフ３２のように、立ち上げ時の放電負荷が通常の温度環境下よりも大きくなり、ＤＣ電流が正常値（グラフ３１）から大きく乖離して、場合によっては過電流アラーム等によりレーザ発振が強制的に停止させられる虞がある。そこで、一点鎖線グラフ３３に示すように、正常時のデータに基づいて予め閾値を設けておき、ＤＣ電流がこの閾値を超えた場合（図２（ａ）の例では時刻ｔ３）には後述の圧力制御を行うことが有効である。なおこの閾値は正常値よりもいくらか高めに設定されることが好ましく、例えば正常値に一定のマージンを付加したものでもよいし、一定の比率（１．１〜１．３等）を掛け合わせたものでもよい。また正常時の電流特性データやそれに基づいて予め定められる閾値は、予め適当な記憶手段に記憶させておくことができ、本実施形態では制御部４内に格納されているものとする。

時刻ｔ３においてＤＣ電流が閾値に達した場合は、ＤＣ電流がさらに閾値より大きくなって過電流アラーム等を作動させないために、図２（ｂ）の破線グラフ３５に示すように、ガス循環路内のレーザガス圧を正常時（グラフ３４）よりもいくらか低くなるようにする制御が自動的に行われる。具体的には、通常の圧力制御によればレーザガス圧は立ち上げ前の圧力ｐ１（例えば２〜４ｋＰａ）からｐ２（例えば１０〜１５ｋＰａ）まで徐々に上昇していくが、時刻ｔ３以降はＤＣ電流（グラフ３２）が閾値（グラフ３３）を超えないようにレーザガス圧のフィードバック制御を行うことにより、結果として上昇勾配がやや緩やかになってｐ２よりいくらか低いｐ２′まで徐々に上昇する制御がなされる。一般にレーザガス圧が低下すると放電管の放電負荷は下がるので、結果としてＤＣ電流を下げることができる。従って時刻ｔ３以降、上述のようなフィードバック制御を行うことにより、過電流アラーム等によるレーザ発振器の停止を防止し、安全にレーザ発振器を立ち上げることが可能となる。なおこのフィードバック制御自体は特殊なものではなく、通常の手法に基づくものでよい。

一般に制御部４からレーザ電源３に送られる出力指令７は単にレーザ出力を指令するものであるので、従来は、過渡状態においてＤＣ電流が過剰となった場合に備えて、出力電流と放電負荷とのマッチングを最適化するための複雑なマッチングボックスが必要であった。しかし本発明では、レーザガス圧の制御により放電負荷を自動的に下げ、それにより過電流を防止することができるので、図１に示すマッチングユニット８は可変コンデンサ及びそのためのモータのような複雑な要素を有するものではなく、例えば単純な容量固定型のコンデンサを有するものでよい。従って全体として安価に、過電流防止機能を備えたレーザ装置を構成することができる。

なお図２の例では、監視する電流値としてＤＣ電流を利用しているが、ＲＦ電源部６が出力する高周波電流を同様の考え方で利用することも可能である。しかし、直流電流の方がモニタリングが容易であることや、立ち上げ時における変化が明瞭であること等の理由から、ＤＣ電流を用いる方が好ましい。

本発明に係るレーザ装置の基本構成を示す図である。 （ａ）図１のレーザ装置の立ち上げ時のＤＣ電流の時間変化を示すグラフであり、（ｂ）（ａ）と同じ時間軸でレーザガス圧の時間変化を示すグラフである。

符号の説明

１ ガスレーザ装置
２ レーザ発振器
３ レーザ電源
４ 制御部
５ ＤＣ電源部
６ ＲＦ電源部
８ マッチングユニット
９ 放電管
１０ 電流検出部
１４ ガス循環路
１５ 圧力制御ユニット
１８ 圧力センサ
２３ 光共振器

Claims (3)

1. レーザ放電管にレーザガスを循環させ、高周波放電によりレーザを発生させる放電励起式ガスレーザ装置の立ち上げ方法であって、
   前記ガスレーザ装置が正常に立ち上がるときの、前記ガスレーザ装置のレーザ電源のＤＣ電源部の出力電流特性を、正常電流特性として予め記憶するステップと、
   前記ガスレーザ装置の立ち上げ時における前記レーザ電源のＤＣ電源部の出力電流を検出するステップと、
   前記ＤＣ電源部の検出された出力電流が前記正常電流特性に基づいて定められた閾値を超えないように、前記レーザ放電管内のレーザガスの圧力を制御するステップと、
   を有する立ち上げ方法。
2. 前記レーザガスの圧力を制御するステップは、前記ＤＣ電源部の検出された出力電流が前記閾値に達したときから前記レーザ放電管内のレーザガスの圧力を下げる方向に制御することを含む、請求項１に記載の立ち上げ方法。
3. レーザ放電管にレーザガスを循環させ、高周波放電によりレーザを発生させる放電励起式ガスレーザ装置において、
   前記ガスレーザ装置が正常に立ち上がるときの、前記ガスレーザ装置のレーザ電源のＤＣ電源部の出力電流特性を、正常電流特性として予め記憶する記憶手段と、
   前記ガスレーザ装置の立ち上げ時における前記レーザ電源のＤＣ電源部の出力電流を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された前記ＤＣ電源部の出力電流が前記正常電流特性に基づいて定められた閾値を超えないように、前記レーザ放電管内のレーザガスの圧力を制御する圧力制御手段と、
   を有する放電励起ガスレーザ装置。

Images