JP5192165B2

JP5192165B2 - ガスレーザ装置及びガスレーザ装置の起動方法

Info

Publication number: JP5192165B2
Application number: JP2007081410A
Authority: JP
Inventors: 順佐藤; 孝文村上; 明江川
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: JP2008244077A

Description

本発明は、放電管内の媒質ガスを放電により励起してレーザ光を発生させるガスレーザ装置及びガスレーザ装置の起動方法に関するものである。

一般に、媒質ガスを放電により励起してレーザ光を発生させるガスレーザ装置の一例として、図１１に開示されているものがある。このガスレーザ装置５０は、高速軸流型炭酸ガスレーザ装置であり、放電管５４の中を高速で循環する炭酸ガス、窒素、ヘリウムなどが混合された媒質ガスに高電圧を印加することで、媒質ガスを放電させてレーザ光を発振させるものである。ガスレーザ装置５０は、共振器ユニット５１と、送風機ユニット５２と、ガスコントローラユニット５３とを備えている。共振器ユニット５１は、筒状の放電管５４と、放電管５４の両端に配置されているミラー５５ａ，５５ｂと、放電管と、ミラーを保持するホルダ５６ａ，５６ｂとを備えている。送風機ユニット５２は、放電管５４内で媒質ガスを循環させるガス循環器５７と、循環する媒質ガスを冷却する熱交換器５８ａ，５８ｂと、放電管５４に接続するガス管５９とを備えている。ガス循環機５７の上流側にある熱交換器５８は放電により熱せられた媒質ガスを冷却し、ガス循環機５７の下流側にある熱交換器５８はガス循環機５７からの圧縮熱を放出する。共振器ユニット５１と、送風機ユニット５２は真空系を構成しており、後述のミラークリーニング時、送風機ユニットのオイル交換時以外、通常は真空系内に大気が進入することはない。

ガスコントローラユニット５３は、真空排気弁６１と、ガス供給弁６２と、真空ポンプ６３と、コントローラ６４とを備えている。コントローラ６４は、真空排気弁６１とガス供給弁６２とを開閉したり、真空ポンプ６３の排気量やガス容器６５からのガス供給量を制御したり、放電管５４、ガス管５９の媒質ガスの圧力を所定の圧力に制御したりする。真空ポンプ６３は、共振器ユニット５１、送風機ユニット５２内の媒質ガスを外部へ排出する。媒質ガスは、ガス供給弁６２を開くことにより、ガス容器６５から共振器ユニット５１、送風機ユニット５２内へ供給されるようになっている。

このようなガスレーザ装置５０においては、連続してレーザ発振すると、共振器ユニット５１のミラー５５ａ，５５ｂの表面に汚れが付着し、レーザ出力が低下したり、レーザ出力が不安定になったりするなど、レーザ光の特性（品質）が低下するため、真空系を開放してミラー５５ａ，５５ｂを定期的にクリーニングする必要がある。また、送風機ユニット５２のオイルを交換する際にも、真空系を大気開放する必要がある。このような場合、大気中の水分が共振器ユニット５１、送風機ユニット５２に入り、放電管５４の内壁面やミラー５５ａ，５５ｂ、ホルダ５６ａ，５６ｂなどの部品表面に付着し、付着した水分が高電圧放電により媒質ガス中に吸収され、それによって、媒質ガスの放電が不安定となって、安定した出力を得られないという問題があった。

このような問題は、ガスレーザ装置が大気中で組み立てられる際にも生じ、大気中で暴露された放電管５４、ガス管５９、ミラー５５ａ，５５ｂ、ホルダ５６ａ，５６ｂなどに大気中の水分が付着することにより、組立作業終了直後の媒質ガスの放電が不安定となったり、安定した出力を得られない場合があったりした。

媒質ガス中の水分量を減少させ、媒質ガスを安定させてから、放電（高圧放電）を開始するガスレーザ装置の起動方法の一例としては、特許文献１に開示されているものがある。この従来例では、放電を開始する前に、媒質ガス供給工程での媒質ガス中の水分量を測定し、予め定められた数値以下になるまで、媒質ガスを放電させずに媒質ガスの排気による置換を所定の回数だけ繰り返して行うものである。しかし、ガス置換だけによって媒質ガス中の水分量を減少させることは、放電加熱によって水分量を減少させる場合にくらべて効率が悪く、媒質ガスの放電を開始するまでに時間がかかるという問題があった。

また、ガスレーザ装置の起動方法の他の従来例として、媒質ガス中の水分を減少させるために、定格出力以下の出力で媒質ガスを放電させる予備放電方法がある。この方法は、図１２に示すように、媒質ガスの排気だけを行う場合と比べて、短い時間で効率良く媒質ガス中の水分を減少させることができる方法である。放電状態の確認は、放電電圧の確認によりなされており、次のようにして行われている。図１３に示すように、予備放電を実施すると、共振器ユニット５１や送風機ユニット５２を構成している部品の表面に付着していた水分が媒質ガス中に吸収され、ガス循環により媒質ガスと共に水分が外部へ排出され、放電電圧が徐々に降下する。放電電圧降下が終了し、電圧が一定となった時点が、予備放電の完了点とみなされ、それが励起電源６６に付属した電圧モニタ６７で確認されていた。

しかしながら、媒質ガスの組成比によっては、放電電圧が安定しても、レーザ出力（媒質ガスの放電特性）が安定しないことがあった。このような場合、予備放電を長く行うことが必要とされるが、予備放電をどの程度長く行えば良いかわからないため、予備放電を必要以上に長く行ってしまうという問題があった。すなわち、放電電圧を監視して予備放電を終了する時点を判断する方法では、レーザ出力が不安定になったり、予備放電に必要以上の時間をかけてしまったりするといった問題があった。

特開平７−１７６８１６号公報

本発明は、媒質ガス中に含まれる水分を短時間で確実に減少させることができ、これにより、レーザ装置の稼働率を高めることができ、しかも、媒質ガスの放電特性の安定性を向上できるガスレーザ装置及びガスレーザ装置の起動方法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、本発明に係るガスレーザ装置は、コントロールユニットを有し、放電管内の媒質ガスを放電により励起してレーザ光を発振するガスレーザ装置において、前記コントロールユニットが、前記媒質ガス中の水分量を計測する計測部と、前記レーザ光を出力する主放電に先立ち、前記計測部により計測された前記媒質ガス中の前記水分量が、前記媒質ガスに含まれる許容水分量である予め設定された第１閾値以下になるまで、放電と、放電停止と、前記媒質ガスの排気及び供給と、を行う予備放電を繰り返し実行する手段と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明では、前記予備放電を繰り返し実行する手段が、前記計測部により計測された前記水分量が前記第１閾値以下になるまで、主放電時の電圧よりも低い電圧で実施される前記媒質ガスの予備放電を制御する予備放電制御部であることを特徴とする。

また、本発明は、前記計測部により計測された前記水分量と前記第１閾値と等しいか、もしくはより大きい設定値である第２閾値とを比較する判定部を備え、前記予備放電が最初に開始されてから所定時間内で、前記水分量が前記第２閾値以下にならなかった場合に、前記放電管内の前記媒質ガスを排気し新しい媒質ガスを入れて前記予備放電を行うことを特徴とする。

また、本発明では、前記媒質ガスは、ヘリウム、窒素、炭酸ガスを含むことを特徴とする。
また、本発明では、前記計測部が数値制御されることを特徴とする。
また、本発明では、前記計測部による前記水分量の計測が、フーリエ変換赤外吸収分光法、四重極型質量分析法によって行われることを特徴とする。

本発明では、放電管内の媒質ガスを放電により励起してレーザ光を発振するガスレーザ装置の起動方法において、前記媒質ガス中の水分量を計測し、前記水分量と前記媒質ガスに含まれる許容水分量である第１閾値とを比較し、前記水分量が前記第１閾値以下になるまで、前記水分量が前記第１閾値以下になるまで、第１電圧で行う放電と、放電停止と、前記媒質ガスの排気及び供給と、を行う予備放電を繰り返し、前記水分量が前記第１閾値未満になった後、前記レーザ光を外部へ発振するために、前記媒質ガスを前記第１電圧よりも高い第２電圧で主放電する、ことを特徴とする。

本発明に係るガスレーザ装置の起動方法では、前記予備放電が最初に開始されてから所定時間内で、前記水分量が前記第１閾値より大きいか、もしくは等しい設定値である第２閾値以下にならなかった場合に、前記共振器内の前記媒質ガスを排気し新しい媒質ガスを入れて前記予備放電を行うことを特徴とする。

以上の如く、ガスレーザ装置及びガスレーザ装置の起動方法の発明によれば、放電管又はガス管の媒質ガス中の水分量を計測し、計測された水分量と媒質ガスに含まれる許容水分量である第１閾値とを比較することで、予備放電を終了すべきか、それとも予備放電をさらに行うべきかを判断することができる。このため、放電電圧を監視していた従来のように、レーザ出力が不安定になったり、予備放電に必要以上の時間をかけてしまったりすることを回避することができる。したがって、媒質ガス中に含まれる水分を短時間で確実に減少させることができ、レーザ装置の稼働率を高めることができる。また、媒質ガスの放電特性の安定性が高まり、レーザ加工の品質信頼性が向上する。

また、放電管を長時間に亘って大気開放したために、放電管内に大気中の水分が多く入り、予備放電が最初に開始されてから所定時間内で水分量が第１閾値と等しいか、もしくはより大きい設定値である第２閾値以下にならない判断された場合に、放電管の媒質ガスを排気して新しい媒質ガスを入れることで、短い時間で放電管の水分を減らすことができる。すなわち、予備放電と、排気による媒質ガスの置換とを共用することで、放電管内の水分量が多い場合にも放電管の水分を短時間で減らすことができる。

以下に本発明の実施形態の具体例を図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明に係るガスレーザ装置の第１の実施形態の構成図である。本実施形態のガスレーザ装置１０は、共振器ユニット５１と、送風機ユニット５２と、ガスコントローラユニット１１とを備えており、ガスコントローラユニット１１の構成を除いて従来のガスレーザ装置５０と同じである。したがって、本実施形態と従来例の同一構成部分には同一符号を付して重複した説明を省略し、異なる構成部分について説明することとする。

ガスコントローラユニット１１は、真空排気弁６１と、ガス供給弁６２と、真空ポンプ６３と、コントローラ１２と、水分検出器（計測部）１３と、を備えている。コントローラ１２は、真空排気弁６１及びガス供給弁６２を開閉して真空ポンプ６３の排気量やガス容器６５からのガス供給量を制御したり、放電管５４、ガス管５９内の媒質ガスの圧力を所定の圧力に制御したり、媒質ガス中の水分量を計測するために水分検出器１３を機能させたりする。

図２に示すように、コントローラ１２は、水分検出器１３により計測された水分量と媒質ガスに含まれる許容水分量である第１閾値とを比較する第１の判定部１４と、水分検出器１３により計測された水分量が第１閾値以下になるまで、低電圧で実施される媒質ガスの予備放電を制御する予備放電制御部１５と、水分検出器１３により計測された水分量が第１閾値未満になった後、レーザ光を外部へ発振するために、高電圧で実施される媒質ガスの主放電を制御する主放電制御部１６と、を備えている。すなわち、ガスレーザ装置１０は、媒質ガスに含まれる水分量を少なくするために、主放電を行う前に予備放電を行うように制御されている。

予備放電は、ガス供給弁６２を開いて、放電管５４、ガス管５９内に予め定められた圧力の媒質ガスが供給された後に行われる。媒質ガスの供給が完了した後、放電管５４内に設けられた図示しない電極間で主放電を行う電圧より低い電圧を印加して、媒質ガスの予備放電を開始する。なお、予備放電中の放電管５４、ガス管５９内の媒質ガス圧は、コントローラ１２により真空排気弁６１とガス供給弁６２の開閉を制御することで所定の圧力に保たれている。

このガスレーザ装置１０の予備放電は、図３に示すシーケンスにしたがって実行される。ステップ１Ａで予備放電を準備し、ステップ２Ａで予備放電を開始する。ステップ３Ａにおいて、予備放電中の媒質ガスが含有する水分量を図１等に示す水分検出器１３により計測し、媒質ガス中の水分量Ｒが実験的に求められた水分量Ｒ₁以下になるまで予備放電を繰り返し実行して所定の分量Ｒ₁以下になったことを確認し、ステップ４Ａで予備放電工程を完了する。

また、本実施例の予備放電は、図４に示すシーケンスにしたがって実行することもできる。すなわち、ステップ２Ａ−１において、マスク時間Ｔ₁を設定し、予備放電開始よりＴ₁経過した後に水分量モニタを開始するというステップを追加してもよい。媒質ガス中の水分量Ｒが所定の水分量Ｒ₁以下になるまで予備放電を実行するのは図３のシーケンスと同じである。このシーケンスは、図５のように、予備放電を開始してから媒質ガス中の水分量が上昇するまでに一定の遅延時間が生じる場合を想定している。図において、遅延時間を生じない場合は、真空系を大気開放したために、空気中の水分が真空系内の媒質ガス中に吸収されている場合である。遅延時間を生じる場合は、真空系を構成する部品に付着した水分が媒質ガスには吸収されておらず、媒質ガスが乾燥している場合である。この場合、予め設定したマスク時間だけ間隔を置いて水分量の計測を行うことで、遅延時間の影響を排除することができる。すなわち、真空系内の媒質ガスが乾燥している場合において、予備放電を開始した直後は真空系を構成する部品に吸着していた水分が媒質ガスに吸収されていないため、水分量を正確に計測することはできないが、所定時間経過した後は水分量を正確に計測することができる。

次に、本発明に係るガスレーザ装置の第２の実施形態について説明する。本実施形態のガスレーザ装置は、図６に示すように、コントローラ２０が水分検出器１３により計測された水分量と第１閾値と等しいか、もしくはより大きい設定値である第２閾値とを比較する第２の判定部２１を備えている点で、第１の実施形態のコントローラ１２と相違している。ガスレーザ装置のその他の構成は、第１の実施形態と同一である。

本実施形態の予備放電は、図７に示すシーケンスにしたがって実行される。予備放電開始よりＴ₂経過する前で（ステップ４Ｂ）、媒質ガス中の水分量が、予備放電終了の閾値Ｒ₁以下（ステップ３Ｂ）になれば予備放電は終了（ステップ６Ｂ）となる。一方、予備放電時間がＴ₂を超えてもなお閾値Ｒ₂以上の水分量の場合は予備放電を中止し（ステップ５Ｂ）、ガスコントロールユニット１９（図６参照）の真空排気弁６１を開き、ガス供給弁６２を閉じて、放電管５４とガス管５９の媒質ガスの排気を行う（ステップ１Ｂ）。排気終了後、ガス供給弁６２を開き、真空排気弁６１を閉じ、放電管５４とガス管５９に媒質ガスを供給し、予備放電を再度実施する（ステップ２Ｂ）。これは、長時間大気解放後に予備放電を行う場合を想定している。

すなわち、図９に示すように、長時間大気開放した後は、連続して予備放電を行っても媒質ガス中の水分量がなかなか減少しない場合があり、この場合、予備放電、ガス排気、ガス供給からなる工程を繰り返し行うことで効率よく媒質ガス中の水分量を減らすことができる。予備放電により媒質ガス中には大量の水分が放出されるが、この水分を多く含有したガスを放電管内からすぐに排気し、乾燥した媒質ガスを放電管内に再充填することで、効果的に放電管内にある媒質ガス中の水分量を減らすことができる。

なお、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に水分量測定開始までのマスク時間Ｔ₁を設定したシーケンスによって予備放電を実行することもできる。この場合のシーケンスを図１０に示す。この場合、予備放電開始よりＴ₁経過した後に（ステップ２Ｂ−１）、水分量モニタを開始する（ステップ２Ｂ−２）。水分量モニタ開始よりＴ₂経過後の媒質ガス中の水分量がＲ₁であれば予備放電終了とする（ステップ６Ｂ）。水分量モニタ開始よりＴ₂を超えて時間が経過した後もなお閾値Ｒ₂以上の水分量の場合、予備放電を中止し（ステップ５Ｂ）、真空系内のガスを排気して再度、媒質ガスを供給する（ステップ１Ｂ）。

また、第１、２の実施形態において、予備放電中、レーザガス中の水分量を測定する測定器は、誘電体型湿度計のような、一般的な湿度計を用いても構わないが、周知の四重極型質量分析装置又はフーリエ変換赤外吸収分光装置等、ｐｐｍオーダーでの水分量測定が可能な検出器（以下、ガス分析装置と略記）で測定することにより、信頼性の高いデータを得ることができる。

また、マスク時間Ｔ₁、基準時間Ｔ₂、閾値Ｒ₁、Ｒ₂は予備放電シーケンス毎に異なる数値であっても構わない。また、予備放電に先立って放電管とガス管に媒質ガスをガス容器から供給するが、このときのガス圧力は必ずしも定格出力時のガス圧である必要はない。また、定格出力時に用いる媒質ガスとは異なるものを利用してもよい。

また、第１，２の実施形態は、水分検出器により媒質ガス中の水分量を計測するものであるが、水分以外の分子、例えばエタノールなどの分量を他の検出器で計測してもよい。エタノールは放電管内のミラー清掃を行う際に、洗浄剤として用いられるもので、ミラー清掃直後の部品の表面には多くのエタノールが存在している。水と同様に、予備放電シーケンスの繰り返しにより、媒質ガス中に壁面より放出された分子が媒質ガス構成分子に置換されていくことがわかっている。このような、大気開放時ないしは部品の大気曝露時に真空系内に混入する分子の分量を計測し、予め設定された値以下になるまで、予備放電シーケンスを繰り返して行ってもよい。

本発明のガスレーザ装置の第１の実施形態を示す構成図である。図１のガスレーザ装置のコントローラの構成を示す図である。予備放電シーケンスを示すフローチャートである。水分量測定開始までにマスク時間を設けた場合の予備放電シーケンスを示すフローチャートである。予備放電による媒質ガス中の水分量変化について、予備放電を開始してからすぐに媒質ガス中の水分量が上昇する場合と、水分量の上昇がおこるまでに遅延時間が生じる場合の比較を示した説明図である。本発明のガスレーザ装置の第２の実施形態を示す構成図である。予備放電の継続時間に一定の上限を定めた場合の予備放電シーケンスを示すフローチャートである。大気開放時間の長い場合と短い場合の予備放電時間を比較した説明図である。予備放電とガス排気を繰り返し行った場合の水分量と予備放電時間との関係を示す説明図である。図７の予備放電シーケンスにマスク時間によるステップを追加した予備放電シーケンスのフローチャートである。従来のガスレーザ装置の一例を示す構成図である。ガス置換を繰り返し行った場合と予備放電を行った場合の、定格出力が安定するまでに必要な処理時間の比較を示した説明図である。予備放電中の放電電圧の時間変化を示す説明図である。

符号の説明

１０ガスレーザ装置
１１ガスコントロールユニット
１２，２０コントローラ
１４第１の判定部
１５予備放電制御部
１６主放電制御部
２１第２の判定部
５１共振器ユニット
５２送風機ユニット
５３ガスコントローラユニット
５４放電管

Claims

コントロールユニットを有し、放電管内の媒質ガスを放電により励起してレーザ光を発振するガスレーザ装置において、
前記コントロールユニットが、
前記媒質ガス中の水分量を計測する計測部と、
前記レーザ光を出力する主放電に先立ち、前記計測部により計測された前記媒質ガス中の前記水分量が、前記媒質ガスに含まれる許容水分量である予め設定された第１閾値以下になるまで、放電と、放電停止と、前記媒質ガスの排気及び供給と、を行う予備放電を繰り返し実行する手段と、
を備えたことを特徴とする、レーザ装置。
前記予備放電を繰り返し実行する手段が、前記計測部により計測された前記水分量が前記第１閾値以下になるまで、主放電時の電圧よりも低い電圧で実施される前記媒質ガスの予備放電を制御する予備放電制御部であることを特徴とする、請求項１に記載のガスレーザ装置。
前記計測部により計測された前記水分量と前記第１閾値より大きいか、もしくは等しい設定値である第２閾値とを比較する判定部を備え、
前記予備放電が最初に開始されてから所定時間内で、前記水分量が前記第２閾値以下にならなかった場合に、前記放電管内の前記媒質ガスを排気し新しい媒質ガスを入れて前記予備放電を行うことを特徴とする、請求項１又は２に記載のガスレーザ装置。
前記媒質ガスは、ヘリウム、窒素、炭酸ガスを含むことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載のガスレーザ装置。
前記計測部が数値制御されることを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載のガスレーザ装置。
前記計測部による前記水分量の計測が、フーリエ変換赤外吸収分光法、四重極型質量分析法によって行われることを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載のガスレーザ装置。
放電管内の媒質ガスを放電により励起してレーザ光を発振するガスレーザ装置の起動方法において、
前記媒質ガス中の水分量を計測し、
前記水分量と前記媒質ガスに含まれる許容水分量である第１閾値とを比較し、
前記水分量が前記第１閾値以下になるまで、第１電圧で行う放電と、放電停止と、前記媒質ガスの排気及び供給と、を行う予備放電を繰り返し、
前記水分量が前記第１閾値未満になった後、前記レーザ光を外部へ発振するために、前記媒質ガスを前記第１電圧よりも高い第２電圧で主放電する、
ことを特徴とする、ガスレーザ装置の起動方法。
前記予備放電が最初に開始されてから所定時間内で、前記水分量が前記第１閾値より大きいか、もしくは等しい設定値である第２閾値以下にならなかった場合に、前記レーザ装置内の前記媒質ガスを排気し新しい媒質ガスを入れて前記予備放電を行うことを特徴とする、請求項７に記載のガスレーザ装置の起動方法。