CN105281184B - 能够控制气体压力和气体消耗量的气体激光振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够控制气体压力和气体消耗量的气体激光振荡器。该气体激光振荡器具备：第一控制阀，其能够控制提供给气体容器的激光气体的量；第二控制阀，其能够控制从气体容器排出的激光气体的量；控制装置，其分别控制第一控制阀和第二控制阀的开度。控制装置具备：存储部，其存储表示气体容器内的激光气体的压力、第二控制阀的开度以及激光气体的排出量的关系性的数据；气体压力控制部，其分别控制第一控制阀和第二控制阀的开度，使得气体容器内的激光气体的压力接近基准气体压力；气体消耗量控制部，其分别控制第一控制阀和第二控制阀的开度，使得激光气体的排出量接近目标消耗量。

Description

能够控制气体压力和气体消耗量的气体激光振荡器

技术领域

本发明涉及一种将激光气体作为介质而使激光振荡的气体激光振荡器。

背景技术

在搭载到激光加工机上的气体激光振荡器中进行激光振荡时，将激光气体的压力控制为预定的大小。如果气体容器内的气体压力变动，则为了激发激光气体而提供的电压和电流的大小发生变动，据此激光输出发生变化。因此，为了实现稳定的激光输出，需要高速并且高精度的激光气压控制。

通过调整提供给气体容器的激光气体的量和从气体容器排出的激光气体的量来控制气体容器内的气体压力。例如，JP2013-042000A和JPH05-226731A中公开了一种气体激光振荡器，在激光气体的供给部和排出部的一方设置控制阀，提供或排出一定量的激光气体。

但是，如果要提高气体压力控制的精度，则要在短时间重复激光气体的供给和排出，结果激光气体的消耗量增大，气体激光振荡器的运用成本增大。JP2013-026302A、JPH01-179479A、JPH03-166784A、JPH04-176178A中公开了一种技术，其利用检测激光气体的供给量和排出量的检测单元来控制激光气体消耗量。但是，在这样的气体激光振荡器中，需要另外设置检测单元，因此成本增大。

因此，寻求一种廉价的气体激光振荡器，其能够执行高速且高精度的气压控制，并且能够控制激光气体消耗量。

发明内容

本申请的第一个发明，提供一种气体激光振荡器，其具备：气体容器，其收容激光气体；第一传感器，其检测上述气体容器内的激光气体的压力；气体供给源，其对上述气体容器提供激光气体；真空泵，其从上述气体容器排出激光气体；第一控制阀，其能够通过调节开度来控制提供给上述气体容器的激光气体的量；第二控制阀，其能够通过调节开度来控制从上述气体容器排出的激光气体的量；控制装置，其分别控制上述第一控制阀和上述第二控制阀的开度，其中，上述控制装置具备：第一存储部，其存储表示上述气体容器内的激光气体的压力、上述第二控制阀的开度以及激光气体的排出量的关系性的数据；气体压力控制部，其分别控制上述第一控制阀和上述第二控制阀的开度，使得上述气体容器内的激光气体的压力接近基准气体压力；气体消耗量控制部，其分别控制上述第一控制阀和上述第二控制阀的开度，使得激光气体的排出量接近目标消耗量。

本申请的第二个发明，提供一种气体激光振荡器，在第一个发明中，该气体激光振荡器还具备：电源，其提供针对上述气体容器内的激光气体的激发能量；第二传感器，其检测从上述电源提供的电压或电流，其中，上述控制装置还具备：第二存储部，其存储基准电压或基准电流；比较部，其将通过上述第二传感器检测出的电压或电流与上述基准电压或上述基准电流进行比较；气体消耗量设定部，其根据上述比较部的比较结果来设定上述目标消耗量。

本申请的第三个发明，提供一种气体激光振荡器，在第一个发明中，上述控制装置还具备气体消耗量设定部，其根据该气体激光振荡器的运转状况来设定上述目标消耗量。

通过参照附图所示的本发明示例的实施方式的详细说明，这些以及其他的本发明的目的、特征以及优点变得更加明确。

附图说明

图1是表示第一实施方式的气体激光振荡器的结构的图。

图2是第一实施方式的控制装置的功能框图。

图3是表示第二实施方式的气体激光振荡器的结构的图。

图4是第二实施方式的控制装置的功能框图。

图5是表示激光气体的供给量和排出量以及激光气体的压力的关系的图表。

图6A是表示对供给控制阀输入的电压和激光气体的供给量之间的关系的图表。

图6B是表示对排出控制阀输入的电压和激光气体的排出量之间的关系的图表。

图7是表示激光气体的压力、排出控制阀的开度、激光气体的排出量之间的关系的图表。

图8是表示供给控制阀以及排出控制阀的控制方法的例子的表。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。对相同或相应的结构要素使用相同的参照符号。

图1表示第一实施方式的气体激光振荡器10的结构例。气体激光振荡器10用于切断例如钣金等工件的激光加工装置(未图示)。气体激光振荡器10具备：气体容器12、气体压力传感器14、电源16、控制装置30。

气体容器12收容作为使激光振荡的介质而发挥作用的激光气体。激光气体是以预定的组成比包含例如二氧化碳、氮、氦等的混合气体。气体容器12中收容例如-100kPa～-70kPa(表压)的激光气体。

具有收容激光气体的气瓶等的方式的可交换的气体供给源18经由供给控制阀22与气体容器12连接。另外，产生负压后从气体容器12排出激光气体的真空泵20经由排出控制阀24与气体容器12连接。

供给控制阀22通过调节开度来控制从气体供给源18提供给气体容器12的激光气体的量。排出控制阀24通过调节开度来控制从气体容器12排出的激光气体的量。通过控制装置30分别控制供给控制阀22和排出控制阀24的开度。供给控制阀22和排出控制阀24例如是能够根据所输入的电流或电压来调整开度的公知的电磁控制阀。为了能够高精度地控制激光气体的供给量和排出量，最好是能够大概连续调整供给控制阀22和排出控制阀24的开度。

控制气体容器12内的激光气体，使得在赋予预定的电力时能够稳定地放电地维持预先设定的压力(以下称为“基准气体压力”)。通过分别调整提供给气体容器12的激光气体的量和从气体容器12排出的激光气体的量来控制气体容器12内的激光气体的压力。例如，如果对气体容器12内的供给量超过从气体容器12的排出量，则激光气体的压力增大。相反，如果从气体容器12的排出量超过对气体容器12内的供给量，则激光气体的压力下降。

图5是表示激光气体的供给量和排出量以及激光气体的压力之间的关系性的图表。图表的横轴表示激光气体的供给量，图表的纵轴表示激光气体的排出量。图表中的直线L1表示激光气体的压力被维持恒定的条件。即，在激光气体的供给量和排出量相等时，激光气体的压力被维持为恒定。

在直线L1的右侧区域R1中，激光气体的供给量超过排出量。因此，在区域R1的范围气体容器12内的压力增大。另一方面，在直线L1的左侧区域R2中，激光气体的供给量低于排出量，气体容器12内的压力下降。

图5的“A1”和“B1”分别表示与激光气体的消耗量的目标值(以下有时会称为“目标消耗量”)对应的供给量和排出量。另外，“激光气体的消耗量”是在气体激光振荡器10中每单位时间所消耗的激光气体的消耗量。例如，当气体容器12内的激光气体的压力被维持为恒定时，激光气体的消耗量分别与每单位时间提供给气体容器12的激光气体的量、从气体容器12排出的激光气体的量相等。本说明书中，将激光气体的排出量视为激光气体的消耗量而进行说明。

再次参照图1，则气体压力传感器14检测气体容器12内的激光气体的压力。气体压力传感器14的检测值被输入到控制装置30中，用于控制气体容器12内的激光气体的压力。

电源16将作为激发气体容器12内的激光气体的激发能量的电力提供给放电用电极，在气体容器12内产生放电。通过放电激发气体容器12内的激光气体，产生光。通过未图示的共振器来放大所产生的光，作为激光从气体激光振荡器10输出。电源16具有公知的结构。例如，电源16具备：电源单元，其根据来自控制装置30的控制信号输出DC电流；匹配单元，其使得输入侧和负荷侧的阻抗进行匹配，并且根据从电源单元输出的DC电流将电压施加到放电用电极。

控制装置30是一种数字计算机，其具备CPU、ROM、RAM、能够与输入设备和显示设备等外部设备进行数据和信号的收发的接口。图2是控制装置30的功能框图。如图所示，控制装置30具备气体压力检测部31、存储部32、气体压力控制部33、气体消耗量设定部34以及气体消耗量控制部35。

气体压力检测部31通过气体压力传感器14检测气体容器12内的激光气体的压力。通过气体压力检测部31检测出的激光气体的压力被输入到气体压力控制部33。

存储部32存储激光气体的压力的控制目标值即基准气体压力。另外，存储部32存储表示气体容器12内的激光气体的压力、排除控制阀24的开度、通过排除控制阀24而排出的激光气体的排出量之间的关系性的数据(以下有时会称为“关系性数据”)。

图6A是表示赋予供给控制阀22的电压和激光气体的供给量之间的关系性的图表。图6B是表示赋予排出控制阀24的电压和激光气体的排出量之间的关系性的图表。如上所述，根据输入电压或输入电流来调整供给控制阀22和排出控制阀24的开度。在图6A和图6B中分别表示输入电压和激光气体的供给量以及排出量之间的关系性，不过输入电流和激光气体的供给量以及排除量之间也具有同样的关系性。

如图6A和图6B所示，一旦输入电压超过偏移电压V0、V0’，则激光气体的供给量和排出量随着输入电压V1、V2的增大而增大。偏移电压V0、V0’是能够根据供给控制阀22和排出控制阀24各自的个体差而进行变动的值。在本实施方式的气体激光振荡器10中，通过实验而预先决定激光气体的压力、赋予排出控制阀24的输入电压V2、激光气体的排出量之间的关系。另外，图6A的输入压力“VA”和图6B的输入电压“VB”分别表示与目标消耗量对应的输入电压。

图7表示气体容器12内的激光气体的压力、排出控制阀24的开度、激光气体的排出量之间的关系性。图表中的“40％”、“60％”、“80％”、“100％”分别表示排出控制阀24的开度。这样，根据激光气体的压力和排出控制阀24的开度来决定激光气体的排出量，将他们的关系性存储在存储部32中。

再次参照图2，气体压力控制部33控制施加在供给控制阀22和排出控制阀24上的电压或电流，使得通过气体压力检测部31所取得的气体容器12内的激光气体的压力接近存储部32中所存储的基准气体压力(收容在从基准气体压力开始的预定范围内)。例如，在检测出的激光气体的压力比基准气体压力低的情况下，为了增大气体容器12内的激光气体的压力，增大供给控制阀22的开度，或者降低排出控制阀24的开度，或者同时执行这两者。

气体消耗量设定部34设定激光气体的目标消耗量。在本实施方式中，将目标消耗量设定为恒定的值。目标消耗量被设定为例如大概能够排除激光气体的劣化所造成的影响。“激光气体的劣化”表示例如气体容器12内的激光气体变质了的状态。“激光气体的劣化”例如是通过气体容器12内所产生的放电会引起构成激光气体的物质的分子(例如氮分子或二氧化碳分子)电离的结果。如果多数的激光气体的构成分子进行电离，则激光气体不能够积累激发能量，激光输出下降。因此，在气体激光振荡器10中，从气体容器12排出目标消耗量(例如每一小时8升～12升)的激光气体，置换变质了的激光气体。

气体消耗量控制部35控制供给控制阀22和排出控制阀24的开度，使得激光气体的排出量接近目标消耗量。根据存储部32所存储的关系性数据，由气体容器12内的激光气体的压力和排出控制阀24的开度来决定激光气体的排出量。

这样，根据本实施方式的气体激光振荡器10，通过气体压力控制部33和气体消耗量控制部35双方来分别控制供给控制阀22和排出控制阀24的开度。图8是表示供给控制阀22以及排出控制阀24的控制方法的例子的表。根据本实施方式，如以下所详细描述那样，一边进行控制使得激光气体的压力接近基准气体压力，一边进行控制使得激光气体的排出量接近目标消耗量。

(a)气体容器12内的激光气体的压力比基准气体压力高的情况

这时候，使针对排出控制阀24的输入电压V2增大，使得激光气体的排出量增大。进而，在激光气体的排出量比目标消耗量多的情况下，使得针对供给控制阀22的输入电压V1减少。

(b)气体容器12内的激光气体的压力比基准气体压力低的情况

这时候，使针对供给控制阀22的输入电压V1增大，使得激光气体的供给量增大。进而，在激光气体的排出量比目标消耗量多的情况下，使得针对排出控制阀24的输入电压V2减少。

(c)气体容器12内的激光气体的压力与基准气体压力相等，并且激光气体的排出量比目标消耗量多的情况

这时候，分别使针对供给控制阀22的输入电压V1以及针对排出控制阀24的输入电压V2减少。

(d)气体容器12内的激光气体的压力与基准气体压力相等，并且激光气体的排出量比目标消耗量少的情况

这时候，分别使针对供给控制阀22的输入电压V1以及针对排出控制阀24的输入电压V2增大。

另外，“激光气体的压力与基准气体压力相等”包括通过气体压力检测部31检测出的激光气体的压力在从基准气体压力开始的预定范围内的情况。

根据本实施方式的气体激光振荡器10，能够得到以下的效果。

(1)为了分别控制激光气体的供给量和排出量，设置供给控制阀22和排出控制阀24。这样，在气体容器12内的激光气体的压力和基准气体压力不同的情况下，激光气体的压力迅速地接近基准气体压力。例如，当激光气体的压力比基准气体压力高时，能够使供给控制阀22的开度降低，并且能够使排出控制阀24的开度增大。即，能够调整激光气体的供给量和排出量的双方，因此能够调整激光气体的压力。

(2)预先在存储部32中存储排出控制阀24的开度、激光气体的压力以及激光气体的排出量(即，激光气体的消耗量)的关系性。因此，即使不使用检测激光气体的供给量和排出量的传感器，也能够取得激光气体的消耗量，能够提供廉价的气体激光振荡器。

(3)能够按照关系性数据，根据激光气体的压力和排出控制阀24的开度取得激光气体的排出量，所以在控制激光气体的压力的同时能够控制激光气体的消耗量。

在第一实施方式中，气体消耗量设定部34将目标消耗量设定为恒定值。但是，在其他的实施方式中，气体消耗量设定部34可以根据气体激光振荡器10的运转状态来设定目标消耗量。例如，在气体激光振荡器10为待机状态时等运转率低的情况下，很难产生激光气体的变质。因此，激光气体的劣化对气体激光振荡器10的性能产生的影响是有限的，从气体容器12排出的激光气体的量可以较少。

例如，当气体激光振荡器10的运转率为100％时，气体消耗量设定部34将激光气体的目标消耗量设定在每1小时8升～12升的范围。另外，当气体激光振荡器10的运转率为0％时，气体消耗量设定部34将激光气体的目标消耗量设定在每1小时3升～7升的范围。

另外，气体消耗量设定部34可以在频繁地切换从电源16的激发能量的供给和切断的情况下，较低地设定目标消耗量。在激发能量的供给时和切断时，激光气体的温度瞬间发生变化，结果激光气体的压力会变化，所以为了执行激光气体的压力控制所需要的激光气体消耗量暂时增大。但是，根据本实施方式较低地色的目标消耗量，从而能够抑制气体激光振荡器10的运转状态到稳定之间的激光气体的多余消耗。

这样，根据气体激光振荡器10的运转状况来变更激光气体的目标消耗量，从而能够防止激光气体多余的消耗，能够削减气体激光振荡器10的运用成本。

图3是表示第二实施方式的气体激光振荡器10的结构的图。根据本实施方式，根据激光气体的状态来控制激光气体的消耗量。本实施方式的气体激光振荡器10除了具备上述的实施方式的结构，还具备电压传感器26，其在将激发能量赋予激光气体时，检测通过电源16所施加的电压。另外，参照图2和图4可以得知，控制装置30还具备比较部36。

如果气体激光振荡器10长时间，例如停止1天以上，持续不执行激光气体的交换的状态，则激光气体中混入杂质。这里，“杂质”是指例如混入了水分的、或者氦的组成比例下降了的激光气体。尤其是有时具有小的分子量的氦、水等通过密封部件(O环、树脂制的配管部件)泄漏到气体容器12的外部，混入气体容器12内。这样的杂质的混入在气体激光振荡器10运转中是能够忽略的量。但是，在长时间停止后再启动气体激光振荡器10时，由于激光气体中所包含的杂质而影响激发能量的供给作用。具体地说，赋予激发能量所需要的电源16的电压或电流比基准值增加，放电变得不稳定。

因此，在本实施方式中，通过比较基准电压和从电源16实际施加的电压，评价激光气体所包含的杂质的影响，根据此来变更激光气体的目标消耗量。

在本实施方式中，存储部32存储赋予激发能量时成为基准的基准电压。比较部36比较存储部32所存储的基准电压和通过电压传感器26检测出的电压。气体消耗量设定部34根据比较部36的比较结果，设定激光气体的目标消耗量。具体地说，在检测电压比基准电压大的情况下，气体消耗量设定部34判定激光气体中包含杂质，从而增大激光气体的目标消耗量。这样，能够促进含有杂质的激光气体的排出。

根据本实施方式，通过比较基准电压和检测电压的比较部36，自动检测出气体容器12内的激光气体中混入了杂质的情况。并且，根据检测结果设定目标消耗量，从气体容器12排出包含杂质的激光气体。因此，即使在长时间停止后也能够稳定地启动气体激光振荡器10。另外，对于比较基准电压和检测电压后调整激光气体的目标消耗量的实施方式进行了说明，但也可以代替电压而监视电流，根据基准电流和检测电流的比较结果来调整激光气体的目标消耗量。

发明的效果

根据本发明的气体激光振荡器，在激光气体的供给侧和排出侧的两方设置控制阀，控制激光气体的供给量和排出量。进而，根据表示激光气体的压力、控制阀的开度以及气体排出量的关系性的数据，控制控制阀的开度，得到所希望的气体排出量。这样，能够不使用检测激光气体的供给量和排出量的检测单元，而能够执行高速且高精度的气体压力控制，并且能够控制激光气体的消耗量。

以上，说明了本发明的各种实施方式，但如果是本领域技术人员，则会认识到通过其他的实施方式也能够实现本发明所要达到的作用效果。特别是能够不脱离本发明的范围而能够删除或置换上述实施方式的结构要素，或者能够进一步附加公知的单元。另外，本领域技术人员也明白，通过任意组合本说明书中明示或暗示地公开的多个实施方式的特征也能够实施本发明。

Claims (1)

1.一种气体激光振荡器，其特征在于，具备：

气体容器，其收容激光气体；

第一传感器，其检测上述气体容器内的激光气体的压力；

气体供给源，其对上述气体容器提供激光气体；

真空泵，其从上述气体容器排出激光气体；

第一控制阀，其能够通过调节开度来控制提供给上述气体容器的激光气体的量；

第二控制阀，其能够通过调节开度来控制从上述气体容器排出的激光气体的量；

控制装置，其分别控制上述第一控制阀和上述第二控制阀的开度；

电源，其提供针对上述气体容器内的激光气体的激发能量；以及

第二传感器，其检测从上述电源提供的电压或电流，其中，

上述控制装置具备：

第一存储部，其存储表示上述气体容器内的激光气体的压力、上述第二控制阀的开度以及激光气体的排出量的关系性的数据；

气体压力控制部，其分别控制上述第一控制阀和上述第二控制阀的开度，使得上述气体容器内的激光气体的压力接近基准气体压力；

第二存储部，其存储基准电压或基准电流；

比较部，其将通过上述第二传感器检测出的电压或电流与上述基准电压或上述基准电流进行比较；以及

气体消耗量控制部，其分别控制上述第一控制阀和上述第二控制阀的开度，使得激光气体的排出量接近基于上述比较部的比较结果设定的目标消耗量。