JP4137972B2

JP4137972B2 - ガス組成異常判断方法及び放電励起ガスレーザ発振器

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Publication number: JP4137972B2
Application number: JP2006337141A
Authority: JP
Inventors: 明江川; 稔安藤; 肇池本
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2026-12-14
Also published as: JP2008153281A; CN101207261A; US7586969B2; CN101207261B; EP1933429B1; US20080144681A1; EP1933429A1

Description

本発明は、放電管内で放電励起されるレーザガスのガス組成異常判断方法及び放電励起ガスレーザ発振器に関する。

一般に、放電管内のレーザガスを放電励起してレーザ光を発生させる高周波放電励起ガスレーザ発振器としての従来の一例として、特開平７−２２１３７８号公報（特許文献１）に開示されているものがある。特許文献１のガスレーザ発振器は、レーザ光を発振するレーザヘッドと、レーザヘッドの放電管に電力を供給する高周波電源装置と、高周波電源装置を制御する制御装置を備えている。このガスレーザ発振器は、レーザヘッドにおける放電負荷の異常を判断することができるものである。すなわち、高周波電源装置の立ち上げ時又は運転時に、高周波電源装置の出力データとしての電流や電圧や周波数をそれらの正常値と比較し、比較結果によって放電管における放電が開始されているか否かを判断し、放電が開始されていない場合などに、放電負荷の異常と診断するものである。しかしながら、このガスレーザ発振器において、高周波電源装置の運転時に放電負荷の異常を判断する場合、実施に放電負荷に異常があると、放電負荷の印加電圧や出力電流が大きくなり、放電管や高周波電源装置を破壊する心配がある。また、放電負荷の異常を判断する際の条件によっては、例えば、レーザガスの圧力が高い場合には、高周波電源装置の立ち上げ時であっても、放電管や高周波電源装置を破壊する心配がある。

他の従来例として、レーザの入力電力と出力電力とに基づいて算出された発振効率によって、レーザガスの劣化を判断するものがある（特許文献２）。この従来例においても、ガスの劣化を判断する際にガス圧力が高い場合には、上記同様に放電負荷の印加電圧や出力電流が大きくなり、放電管や高周波電源装置を破壊する心配がある。

さらに、他の従来例として、以下のものがある。レーザ光を発生させるレーザ容器とは別に、ガス劣化を検出する容器を用意し、その中での放電電圧、電流を測定し、ガスの劣化を検出する技術が開示されている（特許文献３）。この場合、ガス劣化を検出するための、検出用容器および放電電極を別に用意する必要がある。また、チャンバー内の混合ガスの劣化進行状況を放電時に発生する自然放出光を検出して判別するものがある（特許文献４）。また、光センサおよび特殊光を通過させる光学フィルタなどを用いて、放電管内の光を検知してガスの劣化を検出するものがある（特許文献５）。また、レーザガス放電チャンバー内のガス混合体の直流ブレイクダウン電圧をブレイクダウン電圧検出ユニットで測定し、その直流ブレイクダウン電圧の情報を放電ガス混合体の組成を調整する方法及び装置がある（特許文献６）。また、フーリエ変換赤外分光光度計などを用いて、放電で発生する赤外光の吸収スペクトルを検出して判別するものがある（特許文献７）。

また、ガスの状態を知るために、高電圧、温度を測定し、多数の判断基準に基づいた判別のシーケンスを用いて、ガス注入前後の放電電圧およびガス温度の変化率を測定しながら、チャンバー内のガス組成比を保つ技術がある（特許文献８）。ガスの劣化具合を判別するために、最適な組成比のガスを放電した際に得られる複数のマスタデータと現状のデータを比較し、判別するシステムがある（特許文献９）。この従来例は、非常に多くのデータを測定、比較する必要があり、複雑な演算処理およびシーケンス、多数のデータ処理が必要である。

特開平７−２２１３７８号公報特公昭６２−６０８３７号特許第２６１２６５９号公報特開２０００−２８６４９４号公報特開平２−２７８８８７号公報特開２００１−４４５３４号公報特開２００１−２４２０７７号公報特開２００２−２０８７４６号公報特開２０００−１５１００２号公報

上記特許１〜２の従来例などでは、レーザガスの圧力が高い状態でガスの劣化を判断する場合には、放電負荷の印加電圧や出力電流が大きくなり、放電管や高周波電源装置を破壊する心配がある。また、上記特許文献３〜８の従来例などでは、レーザガスの劣化を判断したり、レーザガスの組成を分析したりするために、特殊な測定ユニット、装置を必要とする問題がある。

本発明は、上記事情に鑑み、簡易な方法でレーザガスのガス組成の異常を判断でき、放電管に損傷が生じることを防止することができるガス組成異常判断方法及び放電励起ガスレーザ発振器を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明の請求項１の発明は、レーザ発振器の放電管内で放電励起されるレーザガスのガス組成異常判断方法において、前記レーザ発振器の立ち上げ時、前記レーザガスが定常運転時の高い圧力より低い圧力で放電励起を開始した後、前記定常運転時の高い圧力より低い任意の圧力で、前記放電管へ供給する高周波電源の実際の出力値を検出し、検出した前記実際の出力値と、前記レーザガスのガス組成が正常であるときに前記実際の出力値を検出した圧力と同一圧力で検出された前記高周波電源の正常な出力値とを比較し、前記実際の出力値と前記正常な出力値との差分が設定値以上のとき、前記レーザガスのガス組成が異常であると判断することを特徴とする。

請求項２の発明は、放電管内でレーザガスを放電励起させてレーザ光を誘導放出する放電励起ユニットと、前記放電管へ電力を供給する高周波電源ユニットと、該高周波電源ユニットの出力を制御するコントローラユニットと、を備えた放電励起ガスレーザ発振器において、前記レーザ発振器の立ち上げ時、前記レーザガスが定常運転時の高い圧力より低い圧力で放電励起を開始した後、前記定常運転時の高い圧力より低い任意の圧力で、前記放電管へ供給する高周波電源ユニットの実際の出力値を検出する出力検出部と、検出した前記実際の出力値と、前記レーザガスのガス組成が正常であるときに、前記実際の出力値を検出した圧力と同一圧力で検出された正常な出力値とを比較する出力比較部と、前記実際の出力値と前記正常な出力値との差分が設定値以上のとき、前記レーザガスのガス組成が異常であると判断して、前記高周波電源ユニットの出力を停止する電源制御部と、を備えたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２記載の放電励起ガスレーザ発振器において、さらに、前記レーザガスの圧力と前記高周波電源ユニットの出力との関係を表すデータテーブルを記憶するデータ記憶部を備え、前記正常な出力値は、前記データテーブルから取得されたマスタデータである。

請求項４の発明は、請求項２又は３に記載の放電励起ガスレーザ発振器において、高周波電源ユニットは、交流電源を直流電源に変換する直流電源部と、直流電源を高周波電源に変換する高周波電源部とを備え、前記高周波電源ユニットからの出力は、前記直流電源部からの出力であることを特徴とする。

本願の請求項１記載の発明によれば、レーザガスの圧力が定常運転時の高い圧力より低い圧力で、レーザガスのガス組成の異常が判断されるから、レーザガスが充填されている放電負荷の印加電圧や出力電流が大きくなることを未然に防止することができ、これにより、放電管や高周波電源装置などを備えるレーザ発振器の損傷を防止することができる。また、ガス組成の異常判断は、高周波電源ユニットから出力される実際の出力値と正常な出力値とを比較することにより行われるから、簡易な方法でレーザガスのガス組成の異常を判断することができる。

請求項２記載の発明によれば、出力検出部により放電管へ供給する高周波電源ユニットの実際の出力値が検出され、出力比較部により高周波電源ユニットの実際の出力値と正常な出力値とが比較され、電源制御部によりレーザガスのガス組成が異常であるという制御指令に基づいて高周波電源ユニットの出力が停止されるから、レーザガスが充填されている放電負荷の印加電圧や出力電流が大きくなることを未然に防止することができ、これにより、放電管や高周波電源装置などを備えるレーザ発振器の損傷を防止することができる。また、簡易な方法でレーザガスのガス組成の異常を判断することができる。

請求項３記載の発明によれば、レーザガスのガス圧力を上昇させる過程において、任意の異なる複数のガス圧力で、高周波電源ユニットの実際の出力値とマスタテーブルから取得された正常な出力値とを比較することができる。このため、より正解なガス組成の異常診断を行うことができる。

請求項４記載の発明によれば、高周波電源ユニットからの出力が直流電源部からの出力であるから、直流電源が高周波電源に変換される前の低い出力でガス組成の異常を診断することができる。

以下に本発明の実施の形態の具体例を図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明に係る放電励起ガスレーザ発振器の一実施形態を示す。

図１に示すように、本実施形態の放電励起ガスレーザ発振器１は、高周波交流電源ユニット３によりレーザガス６を放電励起する発振器であり、放電管７内に充填されているレーザガス６を放電励起してレーザ光を誘導放出する放電励起ユニット２と、放電管７に電力を供給する高周波電源ユニット３と、高周波電源ユニット３の電力やレーザガス６のガス圧力などを制御するコントローラユニット４と、高周波電源ユニット３側の出力インピーダンスと放電管側の入力インピーダンスを整合させるインピーダンス整合手段としてのマッチングユニット５と、を備えている。

放電励起ユニット２は、放電管７内の放電およびターボブロア１０の圧縮熱により高温となったレーザガス６を冷却する熱交換器９と、レーザガス６を高速で循環させる送風器としてのターボブロワ１０と、レーザガス６のガス圧を検出する圧力センサ１１と、レーザガス６の圧力を調整する圧力制御ユニット１２と、放電励起されたレーザガス６からレーザ光を発生させる光共振器１３を有している。放電負荷としての放電管７は、この放電管７を挟むように外側に配置された図示しない一対の放電電極８ａ，８ｂを有し、光共振器１３内に配置されている。放電電極８ａ，８ｂには同一寸法で適宜コーティングされたものを用いることが好ましい。放電電極８ａ，８ｂには高周波電源部２１が接続され、電源制御回路２４からの電流指令値に応じた高周波電流が放電管７に供給されるようになっている。

レーザガス６は、圧力センサ１１により検出された検出信号がコントローラユニット４に読み込まれ、コントローラユニット４から出力される圧力制御信号により圧力制御ユニット１２が制御されることで、ガス圧が調整されるようになっている。これにより、レーザ発振器の立ち上げ時、レーザガス６は放電励起された状態で低い圧力から高い圧力へ除々に高められ、定常運転時の一定の圧力が得られるようになっている。レーザ発振器１の立ち上げ時は、レーザガス６のガス圧力が低いため、放電管７には低電圧・低電流が供給されることとなり、スムーズにレーザ発振器１を立ち上げることが可能となる。

光共振器１３は、一端に設けられた部分透過性を有しないリア鏡（全反射鏡）１４ａと、他端に設けられた出力鏡（部分反射鏡）１４ｂとから構成されている。リア鏡１４ａは反射率９９．５％のゲルマニウム製の鏡であり、出力鏡１４ｂは反射率６５％のジンクセレン製の鏡であり、両鏡１４ａ，１４ｂは安定型共振器を構成する。放電管７に高周波電力が供給されると、レーザガス６が放電励起され、光共振器１３内でレーザ光が発生するようになっている。レーザ光は、出力鏡１４ｂとリア鏡１４ａ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、その一部が出力鏡１４ｂから波長１０．６μｍのレーザ光として外部へ取り出されるようになっている。

さらに、放電励起ユニット２は図示しないシャッタを有している。シャッタは、表面に金メッキが施された銅板で構成されており、シャッタ制御回路２６を介してコントロールユニット４の指令に基づいて開閉する。シャッタが閉じている時には、出力鏡１４ｂから出力されたレーザ光を反射する。反射したレーザ光はビームアブソーバに吸収される。また、シャッタが開いている時には、レーザ光がレーザ発振器１の外部に出力される。

高周波電源ユニット３は、商用の３相交流電源を整流して可変の直流電源に変換する直流電源部２０と、直流電源を高周波電源に変換する高周波電源部２１と、直流電源部２０と高周波電源部２１との間に位置し、直流電源部２０から出力される電流を検出する電流検出部（出力検出部）２２と、を備えている。放電管７には、高周波電源部２１からの電力がマッチングユニット５を介して供給されるようになっている。

コントローラユニット４は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）と、ＣＰＵにバス接続された各種メモリとを有し、これらによって電源制御回路（電源制御部）２４、圧力制御回路２５、シャッタ制御回路２６が構成されるようになっている。各種メモリは、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリなどからなっている。電源制御回路２４は、指令を出力し、直流電源部２０においてスイッチング動作により交流を直流に変換させ、高周波電源部２１において、変換された直流を任意の周波数（例えば２ＭＨｚ）の高周波交流に変換させて、高周波電流を放電管７に供給するための制御部である。

電流検出部２２は、直流電源部２０からの出力電流をモニタする。電流検出部２２が、直流電源部２０と高周波電源部２１との間に設けられることで、出力電流の動作周波数や動作電圧が低くなり、電流検出部２２を含む電源回路を容易に構成することができる。なお、本発明は、電流検出部２２を直流電源部２０と高周波電源部２１との間に設けることに制限するものではなく、高周波電源部２１の後に設けることもできる。

圧力制御回路２５は、圧力センサ１１からフィードバックされたガス圧力に基づいて圧力指令を出力して、この圧力指令に基づいて圧力制御ユニット（圧力制御部）１２を制御し、レーザガス発振器１の立ち上げ時においてガス圧を低い状態から高い状態へ任意の条件で上昇させる制御部である。シャッタ制御回路２６は、シャッタ開閉信号を出力して、図示しないシャッタを所定のタイミングで開閉する制御部である。

マッチングユニット５は、高周波電源部２１と放電管７との間でインピーダンスの整合をとるためのマッチング回路を有している。これにより、高周波電源部２１から放電管７へ効率良く電力が供給されるようになっている。

次に、本発明に関係するレーザ発振器１の構成部分に関して、更に詳しく説明する。本実施形態のレーザ発振器１は、レーザガス６の圧力が低い定常運転前の段階で、レーザガス６のガス組成の異常を判断できるように構成されたものである。ガス組成の異常の判断は、直流電源部２０から検出された電流値に基づいて行われるようになっている。これは、レーザガスが異常な場合、インパーダンスマッチングが大幅に変化し、高周波電源の直流電源部２０の出力電流や放電負荷の印加電圧が異常に大きくなり、高周波電源および放電管負荷を破損する恐れがあることに基づいている。したがって、検出された電流値が正常値より大きい場合には、ガス組成が異常であると判断されるものである。さらに、図３に示すように、電流（供給電力）とガス圧力は比例関係にあるという前提に基づいて、低いガス圧力で電流値を検出することにより、ガス組成に異常がある場合であっても放電管７を損傷させることなく、ガス組成の異常を判断することができる。

直流電源部２０の出力としての電流を検出する電流検出部２２は、レーザ発振器１の立ち上げ時、レーザガス６が定常運転時の高い圧力より低い圧力で放電励起を開始した後、定常運転時の高い圧力より低い任意の圧力での電流値を検出するように構成されている。検出された電流は、ガス圧力が低い状態で電流が検出されることで、印加電流が許容上限値を超えることが回避され、ガス組成の異常による放電管７の破損を未然に防止することができる。すなわち、非破壊的にガス組成の異常を判断することができる。

また、電流検出部２２で検出された電流は、図２に示すコントローラユニット４の出力比較部２７において、レーザガス６のガス組成が正常であるときに検出されたガス圧力と同一圧力で検出された直流電源部２０の正常な電流値（出力値）と比較される。ガス組成が正常であるときの電流値は、レーザガスの圧力と電流との関係を表すデータテーブルが記憶されたデータ記憶部２８から、任意のガス圧力に対応するデータとして取得される。このため、レーザ発振器１の立ち上げ時に、複数の任意の低いガス圧力でガス組成の異常を判断することができ、この判断方法の信頼性を高めることができる。

検出された実際の電流値と正常な電流値との差分が、電流検出時の任意のガス圧力において予め設定された設定値以上の場合には、レーザガス６のガス組成が異常である判断され、判断結果としての制御指令が出力比較部２７から電源制御回路２４に出力され、高周波電源ユニット３の出力を停止することになっている。設定値以下の場合は、ガス組成は正常であると判断される。これにより、レーザガが６のガス組成が異常の場合は、レーザガス６が充填されている放電負荷の印加電圧や出力電流が大きくなることを防止することができ、放電管の破損を防止することができる。

以上により、本実施形態によれば、定常運転時のガス圧力より低いガス圧力で、ガス組成の異常を判断することができるから、ガス組成に異常がある場合に放電負荷の印加電流が正常値より大きくなって放電管に損傷を生じることを未然に防止することができる。したがって、簡易な方法で安全にレーザガスのガス組成の異常を判断することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変更して実施することができる。本実施形態では、データ記憶部２８に記憶されたデータテーブルから任意のガス圧に対応するデータが、検出された実際の電流値との比較のために参照され、ガス組成の異常の判断を複数回行えるようになっているが、任意のガス圧に対応する参照データが一つしかない場合であっても、ガス組成の異常を判断することができる。

本発明に係る放電励起ガスレーザ発振器の一実施形態を示す構成図である。図１に示す放電励起ガスレーザ発振器の制御ユニットの構成図である。時間軸に対するレーザガスのガス圧と出力電流との関係を示す図である。

符号の説明

１レーザ発振器
２放電励起ユニット
３高周波電源ユニット
４コントローラユニット
５マッチングユニット
６レーザガス
７放電管
８a,８b 放電電極
９熱交換器
１０ターボブロワ
１１圧力センサ
１２圧力制御ユニット
１３光共振器
１４a リア鏡（全反射鏡）
１４b 出力鏡（部分反射鏡）
２０直流電源部
２１ＲＦ電源部
２２電流検出部
２４電源制御回路
２５圧力制御回路
２６シャッタ制御回路
２７出力比較部
２８データ記憶部

Claims

レーザ発振器の放電管内で放電励起されるレーザガスのガス組成異常判断方法において、
前記レーザ発振器の立ち上げ時、前記レーザガスが定常運転時の高い圧力より低い圧力で放電励起を開始した後、前記定常運転時の高い圧力より低い任意の圧力で、前記放電管へ供給する高周波電源ユニットの実際の出力値を検出し、
検出した前記実際の出力値と、前記レーザガスのガス組成が正常であるときに、前記実際の出力値を検出した圧力と同一圧力で検出された正常な出力値とを比較し、
前記実際の出力値と前記正常な出力値との差分が設定値以上のとき、前記レーザガスのガス組成が異常であると判断する、ガス組成異常判断方法。
放電管内でレーザガスを放電励起させてレーザ光を誘導放出する放電励起ユニットと、前記放電管へ電力を供給する高周波電源ユニットと、該高周波電源ユニットの出力を制御するコントローラユニットと、を備えた放電励起ガスレーザ発振器において、
前記レーザ発振器の立ち上げ時、前記レーザガスが定常運転時の高い圧力より低い圧力で放電励起を開始した後、前記定常運転時の高い圧力より低い任意の圧力で、前記放電管へ供給する高周波電源ユニットの実際の出力値を検出する出力検出部と、
検出した前記実際の出力値と、前記レーザガスのガス組成が正常であるときに、前記実際の出力値を検出した圧力と同一圧力で検出された正常な出力値とを比較する出力比較部と、
前記実際の出力値と前記正常な出力値との差分が設定値以上のとき、前記レーザガスのガス組成が異常であると判断して、前記高周波電源ユニットの出力を停止する電源制御部と、
を備えた放電励起ガスレーザ発振器。
さらに、前記レーザガスの圧力と前記高周波電源ユニットの出力との関係を表すデータテーブルを記憶するデータ記憶部を備え、
前記正常な出力値は、前記データテーブルから取得されたマスタデータである、請求項２記載の放電励起ガスレーザ発振器。
前記高周波電源ユニットは、交流電源を直流電源に変換する直流電源部と、直流電源を高周波電源に変換する高周波電源部とを備え、前記高周波電源ユニットからの出力は、前記直流電源部からの出力であることを特徴とする、請求項２又は３に記載の放電励起ガスレーザ発振器。