JP5093181B2 - ガスレーザ発振器 - Google Patents

Description

本発明は、２つの電極に高周波高電圧を印加することで電極間に供給されるレーザガスを放電で励起しレーザ光を発生するガスレーザ発振器に関する。

炭酸ガスレーザ発振器はレーザ発振器の上下の電極間にレーザガスが供給され、インバータ回路で出力された高周波電圧を高周波高電圧に変換する変圧器の二次側から高周波高電圧が上下の電極に印加され、レーザガスを通して放電し、放電によりガス分子が励起され、レーザ光が出力される。レーザ発振するためには、電極間の空気や劣化した残留ガスが排気され、その後電極間にレーザガスが送り込まれ、高周波高電圧により放電されレーザ光を出力する。しかし、空気などがレーザ発振器筐体内に漏れたり、劣化した残留ガスが残っていたりすると、電極間の放電は安定しない。不安定な放電が更に進むと上下電極間の放電から、電極からレーザ発振器筐体に放電する。以後、この放電を張付き放電と記述する。張付き放電が持続した場合、電極が損傷して寿命が短くなるという問題がある。
この張付き放電等の異常放電の検出機能を備えた従来技術として、直流電源の零出力端子とアース端子との間に接続した電流検出回路と電流検出回路の検出値が基準を越えたときに、直流電源に出力停止信号を出力する比較回路が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−６４８８８号公報

ところが炭酸ガスレーザ発振器は、真空ポンプやブロワの回転を制御するインバータ等のスイッチ回路を有し、直流電源装置の零出力端子とアース端子との間には高周波成分を多く含んだノイズが存在する。そこで比較回路の前にノイズ周波数成分より大きな時定数を持つ低域フィルタを設ける必要がある。しかしながらこの技術では低域フィルタの時定数による応答の遅れにより異常放電検出の時間が遅れ構成部品の損傷を防止できないことがある。また反対に低域フィルタの時定数を早くすると検出の応答速度は速くなるが、ノイズによる誤動作が頻発する恐れがある。
本発明の目的は、ノイズによる誤動作がなく、高速に張付き放電等の異常放電を検出する方法を提供することにある。

本発明に係るレーザ発振器においては、変圧器二次側と発振器筐体との間に流れる張付き放電電流を検出し、この検出した値と放電電極へ高周波電圧を供給するインバータ回路の制御用矩形波信号とを乗算し、乗算した結果から交流成分を取り除き、その結果得られた値から張付き放電が発生しているか否かを判断するものである。

本発明は、検出した張付き放電電流とインバータ回路制御用矩形波を乗算し交流成分を除くことにより、回路の時定数を小さくすることができる。このため、ノイズによる誤動作がなく、高速に張付き放電等の異常放電を検出することが可能となる。

本発明の実施の形態１を示すレーザ発振器の全体構成を示す図である。 本発明の実施の形態１であるレーザ発振器の要部構成を示す図である。 本発明の実施の形態１であるレーザ発振器の参照信号を示す図である。 従来のレーザ発振器の張付き放電の検出信号を示す図である。 本発明の実施の形態１であるレーザ発振器の張付き放電の検出信号を示す図である。 本発明の実施の形態１であるレーザ発振器の別の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２であるレーザ発振器の要部構成を示す図である。 本発明の実施の形態２であるレーザ発振器の参照信号を示す図である。 本発明の実施の形態３を示すレーザ発振器の全体構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示すレーザ発振器の構成図である。図１において、１は商用電源、２は商用電源１を入力して整流平滑する整流回路である。３は整流回路２で整流平滑された直流電圧を入力して高周波電圧に変換するインバータ回路、４はインバータ回路３のＰＷＭ制御の矩形波信号を生成しインバータ回路３にこの矩形波信号を出力する発振回路、５はインバータ回路３で出力された高周波電圧を昇圧し高周波高電圧に変換する変圧器である。６は変圧器５の２次側の中点であり、電流検出器１３を介してアースに接続され接地されている。７は変圧器５の２次側の高周波高電圧を放電する上側電極、８は下側電極である。９は上下電極７，８やレーザガス等を格納するレーザ発振器の筐体であり、アース１０に接続され接地されている。また、その他に図には含まれないが、レーザ発振するための反射鏡、出力鏡、レーザ光、上下の電極間にレーザガスを供給するためのブロワ、レーザガスを排気する真空ポンプなどがある。電流検出器１３は、変圧器５の二次側中点６とアース間に接続されており、検出された電流値を電圧値に変換し出力する。電流検出器１３の出力（ｅs）は、張付き放電検出装置１４に入力される。また、発振回路４からは、インバータ回路３のＰＷＭ制御の矩形波信号と周波数及び位相が完全に一致している参照信号（Ｖr）が、張り付き放電検出装置１４に入力されている。そして、張付き放電検出装置１４はインバータ回路３へアラーム信号（Ａrm）を出力する。

正常放電時には、変圧器５の二次側から上側電極７と下側電極８の間を放電するため、レーザ発振器筐体９から中点６にはわずかな漏れ成分の高周波電流と他から誘導されたノイズ電流のみが流れている。一方、張付き放電時はレーザ発振器筐体９から中点６にアースを通して電流（ｉs）が流れるため、電流検出器１３の電流を監視することで張付き放電１２を検出することができる。

図２は図１に示したレーザ発振器の張付き放電検出装置１４の内部構成を示している。１５は乗算器として動作する同期整流回路、１６は交流成分を取り除く低域フィルタ、１７はコンパレータ、１８は張付き放電電流設定電圧（Ｖref）を設定する張付き放電電流設定回路である。以下に張付き放電が発生した場合の本発明の動作を説明する。

図１の上側電極７又は下側電極８とレーザ発振器筐体９の間で張付き放電１２が発生すると、レーザ発振器筐体９に接続されたアース１０から変圧器５の中点６を通して張付き放電の電流ｉsが流れる。この電流ｉsを監視することで張付き放電を検出することができる。以後、この電流を張付き放電電流ｉsと記述する。

電流検出器１３の出力ｅsと張付き放電電流ｉsとの入出力関数をｅs＝Ａ×ｉs（Ａは比例定数）と定義すると、張付き放電電流ｉsは正弦波のためｅsは以下の通りとなる。

ここで、ωsは張付き放電電流の角周波数、φは参照信号Ｖrとの位相差である。

図１の電流検出器１３の出力ｅsは、図３の同期整流回路１５の一方の入力Ｉn１に入力される。同期整流回路１５のもう一方の入力Ｉn２には、発振回路４から参照信号Ｖrが入力される。この参照信号Ｖrは、発振回路４で生成され、インバータ回路３のＰＷＭ制御の矩形波信号と周波数及び位相が完全に一致しているので、振幅を１とすると、図３に示したような矩形波となる。この場合、参照信号Ｖrのフーリエ級数展開は以下の通りとなる。

ここで、ωrは参照信号Ｖrの角周波数であり、張付き放電電流の角周波数ωsと等しい。

同期整流回路１５は乗算器として動作するため、（１）式と（２）式の積は以下の通りとなる。

（２）式よりＶrは奇数次の高調波成分であるから、以下のように、乗算回路から直流信号成分が生じる。

（以降の直流項は省略）
ここで、ωs＝ωrであるので、実際に生じる直流成分は（４）式となる。同期整流回路１５の出力はこのあとに、低域フィルタ１６に入力されるため、（３）式の交流成分は減衰し、（４）式の直流項のみ低域フィルタ１６から出力電圧ｅoとして出力される。

すなわち、参照信号の角周波数ωr以外のノイズ周波数成分は交流となり、１６の低域フィルタでカットされ、ノイズによる誤動作がない検出が可能となる。（１）式は同期整流の原理を分かりやすく説明するため張付き放電電流周波数ωs以外のノイズ成分を重畳していないが、張付き放電電流以外のノイズ成分は交流成分として減衰する。
なお、（４）〜（６）式でφは、電流検出器１３の出力電圧ｅsと参照信号Ｖrの位相差であるが、位相差が０の場合、張付き放電電流の直流項、すなわち（４）式が最大となることは明らかである。そこで、位相差を調整できる手段を備えることにより、通常は位相差が０になるように調整し、張付き放電電流の検出感度が最大になるように設定する。

次に、本発明の高速応答性について説明する。
電子回路の応答速度は時定数によって決まるため、従来の同期整流を用いない整流回路と本発明の時定数を計算することで、本発明が従来に比べどのくらい高速に応答するかを述べる。例として、張付き放電電流の角周波数ωsを６２８ＫＨｚ（２π×１００ＫＨｚ）として以下に説明する。

まず、従来の同期整流を用いない整流回路での時定数を計算する。図４（ａ）は従来の同期整流を用いない整流回路の出力波形である。従来の整流回路出力は、コンパレータの誤動作を防止するため、電流検出器の出力を低域フィルタで図４（ａ）の実線の脈流に変換する。ここで、図４（ａ）に示した脈流に必要な低域フィルタの時定数を計算する。図４（ａ）の波形のピークから次のピークまでの電圧を９０％維持すると仮定し、その必要な時定数は、以下の式で近似できる。

ここで、Ｖ1は最初のピークの電圧、Ｖ2は次のピークの電圧、ｔは周期でωsから計算すると５μｓとなる。Ｔは低域フィルタの時定数であり、Ｖ2／Ｖ1＝９０％との条件から計算すると同期整流を用いない整流回路では時定数は５０μｓとなる。

次に、本発明の時定数を計算する。図４（ｂ）は図２に示した電流検出器１３の出力ｅsの波形である。前記（３）式の右辺より、同期整流回路１５の出力は、参照信号Ｖrの角周波数ωrと一致して生じた直流成分と不一致の交流成分を出力する。交流成分がコンパレータ１７に入力すると誤動作することがあるため、低域フィルタ１６はコンパレータ１７が誤動作しないレベルまで交流成分を減衰する時定数を選定される。低域フィルタ１６は角周波数が高い程減衰が大きいため、前記（３）式の交流項は参照信号の角周波数ωrのみで近似できる。従って（３）式は以下の通りとなる。

ωs＝ωrの条件では第１項は直流成分となり以下の通りとなる。

但し、ωsと参照信号Ｖrの位相差は０、すなわちｃｏｓφ＝１とする。
また、第２項は交流成分であり以下の通りとなる。

但し、ｃｏｓφ＝１とする。

従来の同期整流を用いない整流回路で時定数を決めた条件と同一にするため、ここでは前記（７）式の第一項の直流成分の１／１０まで、第二項の交流成分を減衰させる時定数を選定する。しかし、（７）式より第二項の交流成分は既に第一項の１／２のため、時定数は参照信号ωrの２倍の角周波数成分２ωrを１／５にすればよい。すなわち、以下の式から時定数Ｔを計算すればよい。

時定数Ｔを計算すると３．９×１０^−６となる。時定数を比較すると本発明の時定数と同期整流を用いない整流回路の時定数の比を計算すると１／１２．８となり本発明の時定数は従来の１／１０以下になる。
よって同期整流回路を用いない従来の検出方法に比べ１０倍応答が高速に張付き放電の検出が可能となる。

次に、張付き放電の判別方法について述べる。前記の低域フィルタ１６の出力電圧ｅoと張付き放電電流設定回路１８で設定した張付き放電電流設定電圧Ｖrefとをコンパレータ１７で比較し、低域フィルタ１６の出力電圧ｅoが張付き放電電流設定電圧Ｖrefを越えたときは、アラーム信号Ａrmを出力し、インバータ回路の高周波電圧が停止される。このように、コンパレータ１７が張付き放電の発生判断手段となり、張付き放電により電極の損傷を防止できる。

張付き放電電流設定電圧Ｖrefの設定値について説明する。低域フィルタ１６の出力は前記のとおり以下のようになる。
直流成分

交流成分

直流成分の立上りは低域フィルタにより張付き放電発生後から時定数Ｔで（２／π）Ｅsの６３．２％まで立上る。また、交流成分が重畳するため出力波形は図５に示したようになる。図５においては、重畳する交流成分を前述したように、直流成分の１／１０に減衰させた場合の波形とした。図５より（２／π）Ｅsの１０％＜Ｖref＜９０％の範囲でＶrefを決定すれば、交流成分の影響を受けずに張付き放電を検出することができる。なお、Ｖrefは実機により最適値を決定してもよい。

なお、上記説明においては変圧器の二次側中点６を電流検出器１３を介してアースに接続したが、アースに接続するのは二次側の中点に限られず、いずれの部分をアースに接続しても良い。例えば図６（ａ）に示したように、二次側のいずれか一方の端子を電流検出器１３を介してアースに接続してもよく、または、図６（ｂ）に示したように、二次側の中点以外の二次コイル中の任意の点をアースに接続しても良い。
また、変圧器の二次側中点６および発振器の筐体９をアースに接続し、アースで張付き放電電流を検出しているが、これはアースすなわち低圧側で電流を検出することにより、高圧側からのノイズ混入がなく、高圧の絶縁等を考慮しなくても済むからである。

実施の形態２．
実施の形態１においては、単一の同期整流回路を設けて張付き放電を検出したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば２つの同期整流回路を設けてもよい。実施の形態１とは張付き放電検出装置１４の内部構成が異なるのみであるので、張付き放電検出装置１４の内部構成について説明する。

図７は、実施の形態２に係るレーザ発振器の張付き放電検出装置１４の内部構成図である。図７において、Ｉn１から入力された電流検出器１３の出力ｅsは、第１の同期整流回路１９および第２の同期整流回路２０に入力される。また、Ｉn２から入力された発振回路４の参照信号Ｖrは、第１の同期整流回路１９に参照信号Ｖrxとして、また位相シフト回路２３を介して第２の同期整流回路２０に参照信号Ｖryとして入力される。ここで、第２の同期整流回路２０の参照信号Ｖryは、第１の同期整流回路１９の参照信号Ｖrxと比較し、図８に示すように位相シフト回路２３により位相がπ／２［ｒａｄ］シフトしている。シフトの方向＋−いずれでもよく、−π／２［ｒａｄ］シフトしてもよい。図８においては、図３と同様に振幅を１として図示した。
そして、第１の低域フィルタ２１は、第１の同期整流回路１９に、第２の低域フィルタ２２は第２の同期整流回路２０に接続される。また第１の低域フィルタ２１の時定数Ｔ１＝Ｃ１×Ｒ１と、第２の低域フィルタ２２の時定数Ｔ２＝Ｃ２×Ｒ２は、Ｔ１＝Ｔ２で同じ値に設定されている。第１の低域フィルタ２１および第２の低域フィルタ２２は、実施の形態１の低域フィルタ１６と同様に、第１の同期整流回路１９と第２の同期整流回路２０から出力される交流成分を減衰するように動作する。

次に、図７において、絶対値回路２４は第１の低域フィルタ２１の出力ｅoxと、第２の低域フィルタ２２の出力ｅoyの絶対値を求める回路で、以下の演算を行う。

この演算により、実施の形態１の図２の回路では、通常張付き放電の感度を最大にするため電流検出器１３の出力電圧ｅsと参照信号Ｖrの位相差を０に調整するが、図７の回路では位相調整が不要となるメリットがある。
絶対値回路２４の出力ｅoはコンパレータ１７に入力され、張付き放電電流設定電圧Ｖrefと比較され、ｅoがＶref以上ならば、アラーム信号Ａrmを出力し、インバータ回路３を停止させる。Ｖrefの設定値は実施の形態１と同様の考え方で決定できるが、実機により最適値を決定してもよい。
なお、インバータ回路の制御はＰＷＭに限定するものではなく、スイッチング方式のインバータ（ＰＤＭ等）であれば定電流型インバータ、定電圧型インバータを含め、その回路構成は問わない。

実施の形態３．
今までの張付き放電検出の説明では、単一の電極におけるレーザ発振器で説明したが、２つ以上の複数の電極及びインバータ回路からなるレーザ発振器の張付き放電検出でも、カレントトランスを使用することで１個の電流検出回路で張付き放電を検出できる。図９は、実施の形態３に係るレーザ発振器の構成図で、２組の電極と２つのインバータ回路からなるレーザ発振器である。

図９において、１は商用電源、２は商用電源１を入力して整流平滑する整流回路である。前記整流回路２はそれぞれ独立した第１のインバータ２５および第２のインバータ２９に接続される。但し、第１のインバータ２５と第２のインバータ２９は、インバータ回路のＰＷＭ制御の矩形波信号を生成するための発振器４は共通して使用するため、ＰＷＭ制御の矩形波信号は同期している。第１のインバータ２５及び第２のインバータ２９で出力された高周波電圧はそれぞれ、第１の変圧器２６および第２の変圧器３０により高周波高電圧に変換される。また第１の変圧器２６の二次側の中点３３と、第２の変圧器３０の二次側の中点３４は電流検出器１３を介してアース電位に接続されている。
２７は第１の変圧器２６の二次側の高周波高電圧を放電する第１の上側電極、２８は第１の下側電極１である。同じく３１は第２の変圧器３０の二次側の高周波電圧を放電する第２の上側電極、３２は第２の下側電極２である。９はレーザ発振器筐体、１０はレーザ発振器筐体アースである。ｉs１は第１の上側電極２７または第１の下側電極２８で発生した張付き放電電流、ｉs２は第２の上側電極３１または第２の下側電極３２で発生した張付き放電電流である。

図９において、電流検出器であるカレントトランス３５の出力と、張付き放電電流ｉs１、ｉs２との入出力関数はｅs＝Ａ×ｉs１又はｅs＝Ａ×ｉs２（Ａは定数）である。張付き放電は複数の電極で同時に発生する確率は低いため、電流検出器であるカレントトランス３５が１つでいづれかの電極で発生した張付き放電を検出することができる。その他の動作は前記と同じため省略する。その他図には含まれないが、レーザ発振するための反射鏡、出力鏡、レーザ光、上下の電極間にレーザガスを供給するためのブロワ、レーザガスを排気する真空ポンプなどがある。
なお、本実施の形態では２組の電極と２つのインバータ回路からなるレーザ発振器にて説明を行ったが、３組以上の電極と３つ以上のインバータ回路からなるレーザ発振器においても、電流検出器をカレントトランスを用いることで１つの電流検出器で各電極の張付き放電電流を検出することができる。

本発明は、ガスレーザ発振器において張付き放電等の異常放電を高速に検出することができ、電極の損傷を防止する上で有用である。

１ 商用電源、２ 整流回路、３ インバータ回路、４ 発振回路、５ 変圧器、６ 変圧器二次側中点、７ 上側電極、８ 下側電極、９ レーザ発振器筐体、１０ レーザ発振器筐体アース、１１ 正常放電、１２ 張付き放電、１３ 電流検出器、１４ 張付き放電検出装置、１５ 同期整流回路、１６ 低域フィルタ、１７ コンパレータ、１８ 張付き放電電流設定回路、１９ 第１の同期整流回路、２０ 第２の同期整流回路、２１ 第１の低域フィルタ、２２ 第２の低域フィルタ、２３ π／２位相シフト回路、２４ 絶対値回路、２５ 第１のインバータ回路、２６ 第１の変圧器、２７ 第１の上側電極、２８ 第１の下側電極、２９ 第２のインバータ回路、３０ 第２の変圧器、３１ 第２の上側電極、３２ 第２の下側電極、３３ 第１の変圧器二次側中点、３４ 第２の変圧器二次側中点２、３５ カレントトランス、ｉs 張付き放電電流、ｅs 電流検出器の出力信号電圧、Ｖr 参照信号、ｅo 低域フィルタ出力信号、Ｖref 張付き放電電流設定電圧、Ａrm アラーム信号、φ ｅsとＶrの位相差[rad]、ωs 張付き放電電流周波数、ωr 参照信号周波数

Claims (7)

1. 高周波電圧を発生させるインバータ回路と、
   前記インバータ回路で発生した高周波電圧を昇圧する変圧器と、
   前記変圧器により昇圧された高周波高電圧によりレーザガス中で放電する電極と、
   前記電極およびレーザガスを格納する筐体と、
   前記インバータ回路に矩形波信号を出力する発振回路と、
   前記筐体と前記変圧器の二次側との間に流れる電流を検出する電流検出器と、
   前記発振回路から出力される矩形波信号と前記電流検出器からの出力値とを乗算する乗算器と、
   前記乗算器の出力から交流成分を除去するフィルタ回路と、
   前記フィルタ回路からの出力を基準値と比較し前記電極と前記筐体間で放電が発生しているかどうか判断する判断手段と、
   を備えたレーザ発振器。
2. 前記筐体を接地するとともに、
   前記変圧器の二次側を前記電流検出器を介して接地した、
   請求項１に記載のレーザ発振器。
3. 前記乗算器に入力される前記電流検出器の出力と前記発振回路の矩形波信号との位相差を調整する手段を備えた、
   請求項１に記載のレーザ発振器。
4. 前記判断手段は前記電極と前記筐体間で放電が発生していると判断した場合、前記インバータ回路の動作を停止させるものである、
   請求項１に記載のレーザ発振器。
5. 前記発振回路から出力される矩形波信号の位相をπ／２ずらす位相シフト回路と、
   前記位相シフト回路により位相がずれた矩形波信号と前記電流検出器からの出力値とを乗算する第２の乗算器と、
   前記第２の乗算器の出力から交流成分を除去する第２のフィルタ回路と、
   前記フィルタ回路の出力と前記第２のフィルタ回路の出力との絶対値を求める絶対値回路とを更に備え、
   前記判断手段は前記絶対値回路からの出力を基準値と比較し前記電極と前記筐体間で放電が発生しているかどうか判断するものである、
   請求項１から４いずれかに記載のレーザ発振器。
6. 前記電流検出器がカレントトランスである、
   請求項１に記載のレーザ発振器。
7. 前記電極、インバータ回路および変圧器を複数備え、前記筐体と前記各変圧器の二次側との間に流れる電流を１つの前記電流検出器で検出する、
   請求項６に記載のレーザ発振器。

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