JP2011222586A

JP2011222586A - 放電開始を判定する機能を有するガスレーザ発振器

Info

Publication number: JP2011222586A
Application number: JP2010087107A
Authority: JP
Inventors: Hajime Ikemoto; 肇池本; Masahiro Honda; 昌洋本田
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2010-04-05
Filing date: 2010-04-05
Publication date: 2011-11-04
Anticipated expiration: 2030-04-05
Also published as: DE102011012387A1; US20110243168A1; CN102214893A; CN102214893B; US8238396B2; DE102011012387B4; JP4809486B2; DE102011012387A8

Abstract

【課題】放電管に過度の電圧を印加せずに放電を開始させることができるとともに、該放電の開始を迅速かつ正確に判定できるガスレーザ発振器を提供する。
【解決手段】ガスレーザ発振器（１０）は、各ステップの先頭にパルスを重畳してなる電源出力指令を作成する電源出力指令部（１６）と、電源出力指令に従って放電管に電圧を印加する電圧印加部（２９）と、放電管（２６）の電圧を検出する放電管電圧検出部（２８）と、放電管の電圧を監視する放電管電圧モニタ部（３０）と、電源出力指令に対する監視された放電管の電圧の変化割合と、放電管において放電が正常に行われているときのデータに基づいて予め定められる、電源出力指令に対する放電管の電圧の変化割合との差分が予め定めた閾値以内になったときに、放電が開始したと判定する放電開始判定部（ＣＮＣ）（１２）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電管内の放電開始を判定する機能を備えたガスレーザ発振器に関する。

従来のガスレーザ装置では、立ち上げ時に放電を確実に開始させるために、放電管内のガス圧を十分に低くした状態で放電を開始させていた。しかしそのような低いガス圧から、所要のレーザ出力を得るための高いガス圧に上昇させるためには、相当の時間を要していた。このような問題に鑑み、例えば特許文献１には、予め設定された周期で放電開始以上の電圧になるように放電管に高周波電力を供給するイグナイトパルスを発生させ、放電管の確実な点弧を企図したガスレーザ制御装置が開示されている。

一方、放電の開始を知る技術として、例えば特許文献２には、出力電流の特性の遷移から放電開始を検出し、レーザガスの異常を検出する技術が開示されている。

特開平２−１２６６９０号公報特開平７−２２１３７８号公報

特許文献１に記載の発明では、放電が開始し難い状態の時に、必要以上に大きいピーク値や幅を有するパルスを一定周期で重畳し続けた場合、レーザ電源のスイッチング半導体に負担がかかり、レーザ電源が破損する場合がある。また特許文献１には、放電開始の判定を行うための特段の技術の開示はなく、故に複数回のパルスを重畳した場合に、放電管電圧モニタ値（検出値）が重畳したパルスピークの影響を受け、放電開始を正確に判定できないという恐れもある。

特許文献２に記載の発明では、一般に高いガス圧では放電が開始し難いため、レーザガスの状態（圧力、流量、組成）の変化によっては、出力電流の特性に遷移が現れる前に放電管に過大な電圧が印加されてレーザ電源に過大な電流が流れ、放電管やレーザ電源が破損する恐れがある。また、レーザ電源内のＤＣ電源部で測定される出力電流の特性は、ＲＦ電源部やマッチングユニット、放電管などの複数の要因により変化するため、放電開始のみを正確に判定することが困難である。

そこで本発明は、放電管に過度の電圧を印加せずに放電を開始させることができるとともに、該放電の開始を迅速かつ正確に判定できるガスレーザ発振器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、第１の時間間隔でステップ状に上昇する第１の電源出力指令の各ステップの先頭部分に、前記第１の電源出力指令よりも大きい第２の電源出力指令を前記第１の時間間隔より短い第２の時間間隔だけ重畳した電源出力指令を作成する電源出力指令部と、前記電源出力指令部により指令された前記電源出力指令に従って放電管に電圧を印加する電圧印加部と、前記電圧印加部により電圧が印加されているときの前記放電管の電圧を検出する放電管電圧検出部と、前記放電管電圧検出部によって検出した前記放電管の電圧を監視する放電管電圧モニタ部と、前記放電管電圧モニタ部によって監視された、電源出力指令に対する前記放電管の電圧の変化割合と、前記放電管において放電が正常に行われているときのデータに基づいて予め定められる、電源出力指令に対する前記放電管の電圧の変化割合との差分が予め定めた閾値以内になったときに、前記放電管において放電が開始したと判定する放電開始判定部（ＣＮＣ）と、を備えたガスレーザ発振器を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガスレーザ発振器において、前記第１の時間間隔が０．１秒〜１秒であり、前記第２の時間間隔が１００マイクロ秒以下である、ガスレーザ発振器を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のガスレーザ発振器において、前記第２の電源出力指令が重畳された前記電源出力指令の各ステップの最大出力指令は、定格レーザ出力又は最大レーザ出力の１／２に相当する電源出力指令以上であり、かつ定格レーザ出力又は最大レーザ出力に相当する電源出力指令以下である、ガスレーザ発振器を提供する。

本発明によれば、ガスレーザ発振器における放電開始を迅速かつ正確に判定できるようになり、放電開始の誤判定に伴う各部の故障や破損を防止することができる。

第２の時間幅が第１の時間幅より十分小さいことにより、放電管電圧は第２の電源出力指令の影響を受けず、放電管電圧の正確な測定が可能になる。

電源出力指令の各ステップの最大指令値を、定格レーザ出力又は最大レーザ出力の１／２に相当する電源出力指令以上とすることにより、放電が安定して確実に開始できる状態になり、また定格レーザ出力又は最大レーザ出力に相当する電源出力指令以下とすることにより、過度な電圧又は電流によるレーザ発振器の各部の故障や破損を防止することができる。

本発明の実施形態に係るガスレーザ発振器の概略構成を示す図である。電源出力指令の一例を示すグラフである。図２の電源出力指令に従ってガスレーザ発振器が放電停止状態から、レーザ出力が可能なレーザ運転状態に移行した場合の、モニタされた放電管電圧の変化の一例を示すグラフである。

図１は、本発明の好適な実施形態に係るガスレーザ発振器１０の概略構成を示す図である。ガスレーザ発振器１０は、ガスレーザ発振器１０の動作全般を制御する数値制御装置（ＣＮＣ）１２と、ＣＮＣ１２との通信を行うための通信ＩＣ（通信用集積回路）１４と、通信ＩＣ１４がＣＮＣ１２から受信した信号又は指令に基づいて電源出力指令を作成する電源出力指令部１６と、該電源出力指令に基づいてレーザ電源出力を出力するレーザ電源１８とを有する。レーザ電源１８は、ＤＣ電源部２０及び高周波（ＲＦ）電源部２２を有し、電源出力指令部１６からの電源出力指令に基づき制御されたＤＣ電源部２０の出力はＲＦ電源部２２によって高周波電力に変換される。該高周波電力はマッチングユニット２４に供給され、マッチングユニット２４は、該電源出力指令に従った電圧を放電管２６に印加する。本実施形態では、レーザ電源１８及びマッチングユニット２４が協働して電圧印加部２９を構成する。

マッチングユニット２４は、放電管２６にかかる電圧及び電流を検出する放電管電圧電流検出部２８を有し、放電管電圧電流検出部２８で検出された放電管２６の電圧及び電流のデータは放電管電圧電流モニタ部３０に送られて監視される。監視されたデータは通信ＩＣ１４を解してＣＮＣ１２に送られ、後述する放電開始判定処理が行われる。すなわち本実施形態では、放電開始判定部の機能はＣＮＣ１２が担うものとする。なお放電管電圧電流検出部２８は放電管２６の電流、電圧のうち電圧のみを検出するものに置換してもよく、放電管電圧電流モニタ部３０は放電管２６の電流、電圧のうち電圧のみを監視するものに置換してもよい。

レーザ電源１８は、レーザ電源１８が出力する電圧及び電流を検出する電源電圧電流検出部３２を有してもよく、電源電圧電流検出部３２で検出されたレーザ電源１８電圧及び電流のデータは電源電圧電流モニタ部３４に送られて監視される。監視されたデータは通信ＩＣ１４を解してＣＮＣ１２に送られ、データが何らかの異常を示唆していれば、レーザ発振の非常停止を行う等の処置をとることができる。

放電管２６は、レーザ媒質であるレーザガスで満たされたガス流路３６に連通し、故に放電管２６の内部もレーザガスで満たされている。レーザガスはガス流路３６に設けられたターボブロワ等の送風手段３８によりレーザ発振器内部を矢印で示す方向に循環するとともに、ターボブロワ３８の前後に配置された熱交換器４０によって冷却される。参照符号４２及び４４はそれぞれ全反射鏡及び部分反射鏡を表しており、これらの反射鏡と放電管２６とにより光共振器が構成される。なお熱交換器４０やガス流路３６を冷却するための冷却水は、概略図示した冷却水循環システム４６により供給され、またガス流路３６及び放電管２６内のガス圧は、概略図示したレーザガス圧制御システム４８により適切な値に制御される。

放電管２６に高周波電力が供給されると、放電管内のレーザガスが放電により励起され、光共振器において光が発生する。光は全反射鏡４２と部分反射鏡４４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４４からレーザ光５０として外部へ取り出され、レーザ加工等に使用される。

次に、上記電源出力指令部が出力する出力指令の詳細について説明する。図２に示すように、レーザ運転状態に移行する前段階において、レーザ電源１８への電源出力（電圧）指令値がゼロの状態から、予め定めた第１の時間間隔ｔ₁（例えば０．１秒〜１秒）で、予め定めた第１の幅ｗ₁でステップ状に指令電圧を上昇させる第１の電源出力指令５２を考える。本願発明ではさらに、各ステップ電圧の先頭部分（開始時）に、第１の時間間隔ｔ₁より短い予め定めた第２の時間間隔ｔ₂（例えば１００マイクロ秒以下）だけ、放電開始に必要な電源出力よりも十分に大きい電源出力となるように、予め定めた第２の幅ｗ₂のパルスすなわち第２の電源出力指令５４を重畳する。これにより、レーザ運転状態と同じ高いガス圧においても、放電が安定して確実に開始できる状態となる。

図２において、各ステップに重畳されるパルス５４は、ステップの先頭部分のみに重畳され、パルスが重畳された各ステップの最大出力指令値は、定格レーザ出力又は最大レーザ出力の１／３、１／２又は２／３に相当する値（放電が開始するよりも大きい電源出力指令値）以上となるように設定される。例えば最初のステップにおいてパルスが重畳されたときの出力指令値（ピーク値）が定格レーザ出力の１／２に相当する値に等しい場合、２回目以降の各ステップでは出力指令値が徐々に上昇していき、後述する放電開始が判定されたらパルスの重畳は停止される。また放電開始までは各ステップでの出力指令値のピーク値は徐々に上昇していくが、該ピーク値が定格レーザ出力又は最大レーザ出力に相当する値を超えないように制御することが好ましい。例えば、あるステップにおいて前回のステップと同じパルス幅ｗ₂を重畳するとピーク値が定格レーザ出力に相当する値を超える場合は、該あるステップではｗ₂より低い幅のパルスを重畳して最大レーザ出力に相当する値を超えないようにし、放電管に印加される電圧、及びレーザ電源に流れる電流が過度となって放電管やレーザ電源が破損する危険性を回避することができる。

図３は、図２のような電源出力指令に基づいてレーザ電源出力が制御された場合の、モニタされた放電管電圧の変化を示すグラフである。上述のように第２の幅ｗ₂を有するパルスが各ステップに重畳される時間（第２の時間間隔ｔ₂）は、数百ミリ秒のオーダーである第１の時間間隔ｔ₁と比べて、十分に短い時間（例えば１０マイクロ秒〜１００マイクロ秒）である。従って図３に示すように、放電管電圧のモニタ値（検出値）は、パルスを重畳しない場合と等価の値（放電管電圧のモニタ値に対する重畳したパルスの影響は無視できる）になり、正確な放電管電圧を測定することが可能になる。

図２に示したように予め定めた電源出力指令幅でステップ状に指令を上昇させた場合、図３に示すように、電源出力指令に対する放電開始前の放電管電圧の変化割合は、放電開始後の放電管電圧の変化割合よりも大きく、またそれぞれの変化割合はレーザガスの状態に依っては変わらない。そこで本発明ではこのことを利用し、正常時（例えば工場出荷時又は実績のある通常運転時）における放電開始後の、電源出力指令に対する放電管電圧の変化割合を適当なメモリ等の記憶手段に記憶しておき、各ステップでの放電管電圧を測定する。測定された連続するステップ間での放電管電圧の差分から求められる変化割合と、記憶された放電開始後の変化割合とを適当な時間周期で比較する。そして両者が実質同等すなわち両者の差が予め定めた閾値以内となった（モニタされている放電管電圧の変化が放電開始前（急勾配）から放電開始後（緩勾配）に遷移した）ことを以って、放電が開始したと判定することが可能となる。

各ステップの先頭にパルスを重畳しない従来のレーザ立ち上げ方法では、図３の点線で示すように、放電管電圧が正常時であれば放電が開始する電圧Ｖ₀に達しても、レーザガスの状態等により放電が開始しない場合があり、その場合は放電が開始するまで放電管電圧が電圧Ｖ₀より高い電圧Ｖ₁まで上昇することになり、これが放電管やレーザ電源の故障や破損につながる恐れがあった。しかし本願発明では、ステップ状の電源出力指令にパルスを重畳することにより電圧Ｖ₀近傍での放電開始が確保され、さらに放電管電圧をモニタすることにより放電開始を確実に判定することができる。また、レーザ電源の出力ではなく、放電管電圧の変化割合によって放電の開始を判別するので、ＲＦ電源部やマッチングユニットの影響を受けず、正確に放電開始を判定することができる。

１０ガスレーザ発振器
１２ＣＮＣ
１４通信ＩＣ
１６電源出力指令部
１８レーザ電源
２４マッチングユニット
２６放電管
２８放電管電圧電流検出部
２９電圧印加部
３０放電管電圧電流モニタ部
３２電源電圧電流検出部
３４電源電圧電流モニタ部
３６ガス流路

Claims

第１の時間間隔でステップ状に上昇する第１の電源出力指令の各ステップの先頭部分に、前記第１の電源出力指令よりも大きい第２の電源出力指令を前記第１の時間間隔より短い第２の時間間隔だけ重畳した電源出力指令を作成する電源出力指令部と、
前記電源出力指令部により指令された前記電源出力指令に従って放電管に電圧を印加する電圧印加部と、
前記電圧印加部により電圧が印加されているときの前記放電管の電圧を検出する放電管電圧検出部と、
前記放電管電圧検出部によって検出した前記放電管の電圧を監視する放電管電圧モニタ部と、
前記放電管電圧モニタ部によって監視された、電源出力指令に対する前記放電管の電圧の変化割合と、前記放電管において放電が正常に行われているときのデータに基づいて予め定められる、電源出力指令に対する前記放電管の電圧の変化割合との差分が予め定めた閾値以内になったときに、前記放電管において放電が開始したと判定する放電開始判定部と、
を備えたガスレーザ発振器。
前記第１の時間間隔が０．１秒〜１秒であり、前記第２の時間間隔が１００マイクロ秒以下である、請求項１に記載のガスレーザ発振器。
前記第２の電源出力指令が重畳された前記電源出力指令の各ステップの最大出力指令は、定格レーザ出力又は最大レーザ出力の１／２に相当する電源出力指令以上であり、かつ定格レーザ出力又は最大レーザ出力に相当する電源出力指令以下である、請求項１又は２に記載のガスレーザ発振器。