JP4146867B2 - ガスレーザ発振器 - Google Patents

Description

本発明は、ガスもしくは固体媒体を励起してレーザ出力を得るガスレーザ発振器に関する。

一般的なガスレーザ発振器は、放電管内に封入されたレーザガスを放電電極間の放電エネルギによって励起し、この励起状態のガスイオンが基底状態に戻るときに放出するエネルギ量に相当する発振波長のレーザ光を発生する。

このようなガスレーザ発振器においては、そのガスレーザ発振器に対して最適なレーザガスの組成が予め定められている。そして、ガスレーザ発振器におけるレーザガスの圧力は、そのような組成のレーザガスに基づいて最適に設定されている。

レーザガスの組成が予め定められた最適な組成とは異なる場合、および／またはガスレーザ発振器におけるレーザガスの圧力設定が予め定められた設定とは異なる場合には、レーザを最適に出力することができない。

このため、例えば特許文献１においては、レーザガスの放電電圧を測定し、測定された放電電圧に基づいてレーザガスの組成を調整するようにしている。つまり、特許文献１においては、放電電圧によりレーザガスの組成を判定し、その結果に基づいてレーザガスの組成を調整するようにしている。
特開２００１−４４５３４号公報

しかしながら、特許文献１においてはレーザガスの組成を調整するために放電電圧の発生が必要とされるので、放電前にはレーザガスの組成を判定することはできない。また、特許文献１においては、レーザガスの組成を判定する毎に放電を行う必要があるのでレーザ電源および／または放電管が放電作用によって徐々に劣化しうる。さらに、レーザガスの組成が予め定められた組成とは異なる場合には異常放電が発生する場合もあり、そのような場合には、レーザ電源および／または放電管が急速に劣化することも考えられる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、放電電圧を発生させることなしに、レーザガスを判定することのできるガスレーザ発振器を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、レーザガスを励起してレーザ光を発生するガスレーザ発振器において、前記レーザガス用の循環路と、前記レーザガスを前記循環路に循環させる循環手段と、前記循環路における前記レーザガスの圧力を検出する圧力検出手段と、前記循環手段を駆動する電力を検出する電力検出手段と、前記循環手段の定常運転時における前記レーザガスの圧力と前記循環手段の電力との関係を前記レーザガスの種類毎に記憶する記憶手段と、前記循環手段の定常運転時において前記圧力検出手段および前記電力検出手段のそれぞれにより検出された前記レーザガスの圧力および前記循環手段の電力と、前記記憶手段に記憶された前記レーザガスの圧力および前記循環手段の電力の間の関係とに基づいて、前記レーザガスの種類を判定するレーザガス判定手段とを具備するガスレーザ発振器が提供される。

すなわち１番目の発明においては、レーザガスを判定する際に、ターボブロワなどの循環手段の定常運転時における圧力および電力に基づいてレーザガスの種類を判定している。すなわち、レーザガスを判定する際に、放電電圧を発生させる必要はない。このため、レーザガスを判定する際に、レーザ発振器の一部、例えばレーザ電源および／または放電管が劣化することはなく、また、レーザガス判定時に異常放電が生じる危険性も回避することができる。

２番目の発明によれば、１番目の発明において、さらに、前記レーザガス判定手段によって前記レーザガスの種類が判定されない場合に前記ガスレーザ発振器が異常であると判断する異常判断手段を具備する。
３番目の発明によれば、１番目の発明において、さらに、前記循環手段の定常運転時において前記圧力検出手段および前記電力検出手段のそれぞれにより検出された前記レーザガスの圧力および前記循環手段の電力の間の関係と、前記記憶手段に記憶された前記レーザガスの圧力および前記循環手段の電力の間の関係との間の偏差が所定値よりも大きい場合に前記ガスレーザ発振器が異常であると判断する異常判断手段を具備する。
すなわち２番目および３番目の発明においては、ガスレーザ発振器に異常が生じていることを操作者に促し、ガスレーザ発振器に異常が在る状態での使用を避けることができる。

４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、前記圧力検出手段および前記電力検出手段のそれぞれによって前記レーザガスの圧力と前記循環手段の電力とのそれぞれが同時に検出されるようにした。
すなわち４番目の発明においては、レーザガスの判定精度を高めることができる。

５番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかの発明において、さらに、前記圧力検出手段および前記電力検出手段のそれぞれによって前記レーザガスの圧力および前記循環手段の電力が少なくとも二回検出されるときに、前記検出された圧力の変化量に対する前記検出された電力の変化量を傾き実測値として算出する傾き実測値算出手段と、前記記憶手段に記憶された前記レーザガスの圧力および前記循環手段の電力の間の関係を用いて、前記検出された圧力の変化量に対する電力の変化量を傾き理論値として前記レーザガスの種類毎に算出する傾き理論値算出手段とを具備し、前記レーザガス判定手段は、前記傾き実測値算出手段により算出された傾き実測値と前記傾き理論値算出手段により算出された傾き理論値とにさらに基づいて、前記レーザガスの種類を判定するようにした。
すなわち５番目の発明においては、操作者が指定する特定の二つの圧力に関する傾き理論値を算出しているので、レーザガスの判定をより正確に行うことができる。

６番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかの発明において、さらに、前記圧力検出手段および前記電力検出手段のそれぞれによって前記レーザガスの圧力および前記循環手段の電力が少なくとも二回検出されるときに、前記検出された圧力の変化量に対する前記検出された電力の変化量を傾き実測値として算出する傾き実測値算出手段を具備し、前記レーザガス判定手段は、前記傾き実測値算出手段により算出された傾き実測値と前記記憶手段に記憶される前記レーザガスの圧力および前記循環手段の電力の間の関係における前記レーザガスの種類毎の傾きとにさらに基づいて、前記レーザガスの種類を判定するようにした。
すなわち６番目の発明においては、レーザガスの圧力および循環手段の電力の間の関係における傾きが既に求められているので、傾き理論値の代わりに、その傾きを傾き理想値として使用することにより、傾き理論値をその都度算出する場合と比較して、レーザガスの判定を迅速に行うことができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同一の部材には同一の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づくガスレーザ発振器の概略図である。本発明におけるレーザ発振器２は放電励起型である比較的高出力のガスレーザ発振器、例えば出力２ｋＷ以上の炭酸ガスレーザである。レーザ発振器２は循環路１３を含んでいる。図示されるように、循環路１３は放電管９と、放電管９の長手方向概ね中央部分からレーザガスを吸込む吸込管路１３ａと、放電管９の両端部に隣接する部分へレーザガスを吐出する戻り管路１３ｂとから構成されている。

この循環路１３はレーザガス圧力変更手段１８に接続されている。レーザガス圧力変更手段１８は、レーザ発振器２に形成されたレーザガス供給口１７およびレーザガス排出口１９を介して循環路１３へのレーザガスの供給および循環路１３からのレーザガスの排出を行うことができる。

放電管９の一端には部分透過性を有するリア鏡６（共振器内部ミラー）が設けられており、放電管９の他端には部分透過性を有する出力鏡８が設けられている。出力鏡８はＺｎＳｅから形成されており、出力鏡８の内面は部分反射コーティングされると共に出力鏡８の外面は無反射コーティングされている。また、リア鏡６の背面にはレーザパワーセンサ５が配置されている。

リア鏡６および出力鏡８の間の光共振空間内には二つの放電セクション２９ａ、２９ｂが設けられている。各放電セクション２９ａ、２９ｂは放電管９を挟むように配置された一対の放電電極７ａ、７ｂをそれぞれ含んでいる。これら放電電極７ａ、７ｂは同一寸法であって、金属メタライズされているか、または金属部材が取付けられているものとする。

図１に示されるように放電電極７ａ、７ｂはレーザ電源４、例えば２ＭＨｚの高周波電源に接続されている。レーザ電源４は、各放電セクション２９ａ、２９ｂに供給する電力を独立して自由に調整する。

また、循環路１３の吸込管路１３ａにはターボブロワ１４が配置され、ターボブロワの上流および下流には熱交換器１２、１２'がそれぞれ配置されている。ターボブロワ１４に接続されるインバータ１０はターボブロワ１４の回転数を制御しつつターボブロワ１４を駆動する電力を供給する。さらに、レーザ発振器２は冷却水循環システム２２に接続されており、循環路１３内のレーザガス、特に放電管９内のレーザガスなどが適宜冷却されるようになっている。

図１に示されるように、本発明においては、電力検出部１１がインバータ１０に隣接して配置されている。電力検出部１１はインバータ１０の電力を検出し、検出された電力のモニタ信号を後述する制御部１に入力する。また、図示されるように圧力センサ１６が循環路１３に設けられている。この圧力センサ１６は循環路１３におけるレーザガスの圧力を検出し、検出された圧力の信号を同様に制御部１に入力する。

制御部１はデジタルコンピュータであり、レーザ発振器２に電気的に接続されている。図示されるように、制御部１はレーザガス判定手段３１と記憶手段３５とを主に含んでいる。記憶手段３５はレーザ発振器２を駆動するためのプログラムおよびレーザガスの判定等を行うための後述する動作プログラム、ならびに関連する各種データを記憶している。また、記憶手段３５は電力検出部１１および圧力センサ１６により検出された電力検出値および圧力検出値を一時的に記憶する役目も果たす。

図２（ａ）はターボブロワ１４の定常運転時におけるレーザガスの圧力Ｐとターボブロワの電力Ｗとの間の関係を示す図である。図２（ａ）においては、横軸は循環路１３におけるレーザガスの圧力Ｐを示しており、縦軸はターボブロワ１４を駆動するのに必要な電力Ｗを示している。

図２（ａ）には概ね直線状の複数の実線Ｘ０１〜Ｘ０ｎが示されている。これら実線Ｘ０１〜Ｘ０ｎは、組成または組成比が異なるレーザガスについて予め得られた関係をそれぞれ示している。一般的に、レーザガスの密度はレーザガスの組成および組成比に応じて異なる。従って、そのようなレーザガスを循環させるのに必要とされるターボブロワ１４の電力は、使用されるレーザガスの種類に応じて変化する。それゆえ、図２（ａ）において最上方にある実線Ｘ０１に対応するレーザガスの密度は、他の実線に対応するレーザガスの密度よりも大きい。

図２（ａ）に示されるようなターボブロワ１４の定常運転時における圧力Ｐと電力Ｗとの間の関係は制御部１の記憶手段３５に予め記憶されているものとする。具体的には、図３（ａ）に示されるように、そのような関係は実験等によりレーザガスＧ毎に予め求められ、マップの形で記憶されている。

図２（ａ）においては、それぞれの実線Ｘ０１〜Ｘ０ｎの傾きが傾き理想値Ｂ１〜Ｂｎとして示されている。図面には示さないものの、これら傾き理想値Ｂ１〜ＢｎもレーザガスＧ毎に記憶手段３５に記憶されている。

再び図１を参照すると、レーザガス判定手段３１は、後述する傾き実測値および傾き理論値をそれぞれ算出する傾き実測値算出手段３２および傾き理論値算出手段３３を含んでいる。さらに、レーザガス判定手段３１はレーザ発振器２、特にターボブロワ１４に異常が起きているか否かを判断する異常判断手段３４も備えている。

図１に示されるようなレーザ発振器２の動作時においては、レーザガス圧力変更手段１８によってレーザガスがレーザガス供給口１７を通って循環路１３内に供給される。次いで、吸込管路１３ａに設けられたターボブロワ１４によってレーザガスが循環路１３内を循環する。図１において矢印により示されるように、ターボブロワ１４から送り出されたレーザガスは圧縮熱を除去するための熱交換器１２'を通過し、戻り管路１３ｂを通って各放電セクション２９ａ、２９ｂに供給される。

放電電極７ａ、７ｂにより、所定の電圧、例えば数百ｋＨｚから数十ＭＨｚの交流電圧を放電セクション２９ａ、２９ｂに印加すると、放電作用によりレーザガスが励起され、それにより、レーザビームが発生する。周知の原理により、レーザビームは光共振空間で増幅され、出力鏡８を通じてレーザビームを発射される。レーザ発振器２から出たレーザビームはレーザ加工機（図示しない）に供給され、レーザ加工機における被加工ワーク（図示しない）を加工する。

なお、放電作用により高温となったレーザガスは熱交換器１２によって冷却され、ターボブロワ１４に再び戻る。なお、このときには冷却水循環システム２２が作動して、放電管９内のレーザガスなどが適宜冷却されるものとする。

図４は本発明に基づくレーザ発振器２におけるレーザガスの判定および異常判断を行うための動作プログラムを示すフローチャートである。この動作プログラム１００はレーザ発振器２の動作時に制御部１のレーザガス判定手段３１によって実施されるものとする。以下、図４を参照しつつ、レーザ発振器２の異常判断について説明する。

図４に示されるステップ１０１においては、ターボブロワ１４が定常運転状態にあるときの循環路１３内のレーザガスの圧力Ｐ１を圧力センサ１６によって検出する。これと同時に、ターボブロワ１４に供給される電力Ｗ１を電力検出部１１によって検出する。次いで、ステップ１０２において、ステップ１０１とは異なるタイミングにおけるレーザガスの定常運転時圧力Ｐ２およびターボブロワ１４に供給される定常運転時電力Ｗ２を同様に検出する。

次いで、ステップ１０３において、検出された圧力Ｐ１、Ｐ２および電力Ｗ１、Ｗ２に基づいて、傾き実測値算出手段３２が傾き実測値Ａ１を算出する。図２（ｂ）は傾き実測値を説明するための図２（ａ）と同様の図である。図２（ｂ）に示されるように、検出された圧力Ｐ１、Ｐ２および電力Ｗ１、Ｗ２を圧力−電力平面上にプロットして線分Ｘ１を作成する。そして、傾き実測値算出手段３２は線分Ｘ１の傾きを傾き実測値Ａ１（＝（Ｗ２−Ｗ１）／（Ｐ２−Ｐ１））として算出する。

算出された傾き実測値Ａ１は、ステップ１０４において、傾き理論値算出手段３３によって算出される傾き理論値Ａ０と比較される。傾き理論値算出手段３３は、はじめに、図３（ａ）に示されるマップを用いて、前述した圧力Ｐ１および圧力Ｐ２に対応する電力Ｗ（Ｐ１）、Ｗ（Ｐ２）をレーザガスＧ毎に求める。次いで、傾き理論値算出手段３３は傾き理論値Ａ０（＝（Ｗ（Ｐ２）−Ｗ（Ｐ１））／（Ｐ２−Ｐ１））をレーザガスＧ毎に算出する。

その後、レーザガスＧ毎に算出された傾き理論値Ａ０のそれぞれを傾き実測値Ａ１と比較し、傾き実測値Ａ１に対応する傾き理論値Ａ０が存在するか否かを判断する。そして、傾き実測値Ａ１に対応する傾き理論値Ａ０が存在している場合には、その傾き理論値Ａ０に対応するレーザガスＧが傾き実測値Ａ１に関するレーザガス、つまり現在、循環路１３内で使用されているレーザガスであると判定する。

このように、本発明のガスレーザ発振器においては、レーザガスを判定するためにターボブロワ１４の定常運転時における圧力Ｐおよび電力Ｗを検出すれば足りる。つまり、レーザガスを判定する際には、放電電圧を発生させる必要はない。このため、本発明においては、レーザガスを判定する際にレーザ電源４および／または放電管９が放電作用によって劣化することはなく、また、レーザガス判定時に異常放電が生じる危険性も回避することが可能である。

他の実施形態においては、図３（ｂ）に示されるように、傾き理論値Ａ０を任意の二つの圧力Ｐ１、Ｐ２の関数としてマップの形で記憶手段３５に記憶させておき、計算式を用いることなしに、傾き理論値Ａ０を求めるようにしてもよい。この場合には、傾き理論値Ａ０を迅速に求められることが分かるであろう。

その後、ステップ１０５において、レーザガスの判定が可能であったか否かが判定される。そして、レーザガスＧの判定が行えなかった場合、つまり傾き実測値Ａ１に対応する傾き理論値Ａ０が存在しなかった場合には、ステップ１１１に進んで、異常判断手段３４がレーザ発振器２に異常が生じているものと判断し、処理を終了する。

一方、レーザガスの判定が可能であった場合には、異常が無いものと判断（ステップ１０６）した後で、ステップ１０７に進む。ステップ１０７においては、図２（ｂ）に示される線分Ｘ１を表す式ｆ（Ｐ）を算出する。式ｆ（Ｐ）を算出する際には、ステップ１０１、１０２で検出された圧力Ｐ１、Ｐ２および電力Ｗ１、Ｗ２を使用する。ただし、算出される式ｆ（Ｐ）の精度を高めるために、さらに多数の圧力Ｐおよび電力Ｗを検出して式ｆ（Ｐ）を算出するのに利用してもよい。

次いで、ステップ１０８において、式ｆ（Ｐ）に対応した式Ｆ（Ｐ）を取得する。このことは、ステップ１０４で判定されたレーザガスＧに対応する圧力Ｐと電力Ｗとの間の関係（図３（ａ）を参照されたい）を用いて式Ｆ（Ｐ）を作成すれば足りる。なお、作成された式Ｆ（Ｐ）は図２（ａ）に示される実線Ｘ０１〜Ｘ０ｎのうちの一つに対応していることに留意されたい。

次いで、ステップ１０９において、式ｆ（Ｐ）から式Ｆ（Ｐ）を減算した偏差（ｆ（Ｐ）−Ｆ（Ｐ））と所定の閾値Ｌ１と比較する。所定の閾値Ｌ１は実験等によりレーザガスの種類毎に予め求められた値であり、記憶手段３５に記憶されている。

図２（ｃ）を参照して分かるように、偏差（ｆ（Ｐ）−Ｆ（Ｐ））が所定の閾値Ｌ１よりも大きい場合には、式ｆ（Ｐ）が式Ｆ（Ｐ）から大幅に離間していることになる。このように式ｆ（Ｐ）が式Ｆ（Ｐ）から離間する原因は、例えばターボブロワ１４において使用されているベアリング（図示しない）が破損してトルクが増大していること、あるいは漏電していることなどにより電力が増大していることである。このような場合には、ステップ１１１において、異常判断手段３４がレーザ発振器２に異常が生じていると判断する。

一方、偏差（ｆ（Ｐ）−Ｆ（Ｐ））が所定の閾値Ｌ１以下である場合、つまり式ｆ（Ｐ）が式Ｆ（Ｐ）にほぼ等しいかまたは式Ｆ（Ｐ）よりもわずかながら大きい程度である場合には、式ｆ（Ｐ）は式Ｆ（Ｐ）から測定誤差程度だけしか離れていないといえる。従って、この場合には、ステップ１１０において、異常判断手段３４はレーザ発振器２に異常が無いものと判断して処理を終了する。

本発明においては、このような異常判断手段３４を備えているために、ガスレーザ発振器に異常が生じていることを操作者に促すことができ、従って、ガスレーザ発振器に異常が在る状態での使用を避けられることが分かるであろう。

また、本発明の他の実施形態においては、実線Ｘ０１〜Ｘ０ｎのそれぞれについての傾き理想値Ｂ１〜Ｂｎ（図２（ａ）を参照されたい）を使用するようにしてもよい。この場合には、ステップ１０４において特定の圧力Ｐ１、Ｐ２に対応する傾き理論値Ａ０を算出する必要がない。従って、傾き理論値をその都度算出する場合と比較して、レーザガスの判定を迅速に行うことが可能となる。

当然のことながら、圧力Ｐおよび電力Ｗを三回以上検出した後で傾き実測値Ａ１を算出するようにしてもよい。また、レーザガスの圧力Ｐを用いて循環路１３におけるレーザガスの流量を算出し、予め求めたレーザガスの流量と電力Ｗとの関係からレーザガスの種類を判定するようにしてもよい。このような場合であっても、本発明の範囲に含まれるのは明らかであろう。

本発明に基づくガスレーザ発振器の概略図である。 （ａ）ターボブロワの定常運転時におけるレーザガスの圧力とターボブロワの電力との関係を示す図である。（ｂ）傾き実測値を説明するための図２（ａ）と同様の図である。（ｃ）レーザガスの圧力とターボブロワの電力との関係を示す図２（ａ）と同様な図である。 （ａ）圧力Ｐと電力Ｗのマップを示す図である。（ｂ）傾き理論値Ａ０のマップを示す図である。 本発明に基づくレーザ発振器におけるレーザガスの判定および異常判断を行うための動作プログラムを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 制御部
２ レーザ発振器
４ レーザ電源
５ レーザパワーセンサ
６ リア鏡
７ａ、７ｂ 放電電極
８ 出力鏡
９ 放電管
１０ インバータ
１１ 電力検出部（電力検出手段）
１２、１２' 熱交換器
１３ 循環路
１３ａ 吸込管路
１３ｂ 戻り管路
１４ ターボブロワ（循環手段）
１６ 圧力センサ（圧力検出手段）
１７ レーザガス供給口
１８ レーザガス圧力変更手段
１９ レーザガス排出口
２２ 冷却水循環システム
２９ａ、２９ｂ 放電セクション
３１ レーザガス判定手段
３２ 傾き実測値算出手段
３３ 傾き理論値算出手段
３４ 異常判断手段
３５ 記憶手段
Ａ０ 傾き理論値
Ａ１ 傾き実測値
Ｂ１〜Ｂｎ 傾き理想値（傾き）
Ｇ レーザガス
Ｌ１ 閾値
Ｐ 圧力
Ｗ 電力

Claims (5)

1. レーザガスを励起してレーザ光を発生するガスレーザ発振器において、
   前記レーザガス用の循環路と、
   前記レーザガスを前記循環路に循環させる循環手段と、
   前記循環路における前記レーザガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記循環手段を駆動する電力を検出する電力検出手段と、
   前記ガスレーザ発振器の非放電の運転時における前記レーザガスの圧力と前記循環手段の電力との関係を前記レーザガスの組成または組成比毎に記憶する記憶手段と、
   さらに、前記ガスレーザ発振器の非放電の運転時において前記圧力検出手段および前記電力検出手段のそれぞれによって前記レーザガスの圧力および前記循環手段の電力が異なるタイミングで少なくとも二回検出されるときに、前記検出された圧力の差に対する前記検出された電力の差を傾き実測値として算出する傾き実測値算出手段と、
   前記記憶手段に記憶された前記レーザガスの圧力および前記循環手段の電力の間の関係を用いて、前記検出された圧力の差に対する電力の差を傾き理論値として前記レーザガスの組成または組成比毎に算出する傾き理論値算出手段と、
   前記傾き実測値算出手段により算出された傾き実測値と前記傾き理論値算出手段により算出された傾き理論値とにさらに基づいて、前記レーザガスの組成または組成比を判定するレーザガス判定手段とを具備する、ガスレーザ発振器。
2. さらに、前記レーザガス判定手段によって前記レーザガスの組成または組成比が判定されない場合に前記ガスレーザ発振器が異常であると判断する異常判断手段を具備する請求項１に記載のガスレーザ発振器。
3. さらに、前記ガスレーザ発振器の非放電の運転時において前記圧力検出手段および前記電力検出手段のそれぞれにより検出された前記レーザガスの圧力および前記循環手段の電力の間の関係と、前記記憶手段に記憶された前記レーザガスの圧力および前記循環手段の電力の間の関係との間の偏差が所定値よりも大きい場合に前記ガスレーザ発振器が異常であると判断する異常判断手段を具備する請求項１に記載のガスレーザ発振器。
4. 前記圧力検出手段および前記電力検出手段のそれぞれによって前記レーザガスの圧力と前記循環手段の電力とのそれぞれが同時に検出されるようにした請求項１から３のいずれか一項に記載のガスレーザ発振器。
5. 前記レーザガス判定手段は、前記傾き実測値算出手段により算出された傾き実測値と前記記憶手段に記憶される前記レーザガスの圧力および前記循環手段の電力の間の関係における前記レーザガスの組成または組成比毎の傾きとにさらに基づいて、前記レーザガスの組成または組成比を判定するようにした請求項１から４のいずれか一項に記載のガスレーザ発振器。

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