JP5800925B2 - 電力供給遮断時にレーザガス状態を保存可能なガスレーザシステム - Google Patents

Description

本発明は、停電等によって電力供給が絶たれたときに、レーザガス状態を保存可能なガスレーザシステムに関する。

一般に、ガスレーザ発振器は、レーザ発振器内のレーザガスの交換を行った後に起動する。これに対し、レーザ発振器の起動に要する時間を短縮するため、一定の条件の下で、起動時のレーザガスの交換工程の一部を省略するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の装置では、レーザ発振器の停止動作を行った後、レーザ発振器の動作停止時間が一定時間以内またはレーザ発振器内のガス温度が一定温度以上であるときに、レーザガスの交換工程の一部を省略する。

特許第２７３７１７７号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の装置では、例えば停電等により電力が遮断された場合には、レーザ発振器の停止動作が正常に行われず、レーザ発振器の再起動の際に、レーザガスの交換工程の一部を省略することができないおそれがある。

本発明の一態様であるレーザガスシステムは、レーザガスが循環するガス流路と、ガス流路にレーザガスを給気およびガス流路からレーザガスを排気するガス給排部とを有するレーザ発振器と、レーザ発振器に電力を供給する電源部と、電源部から供給される電力を蓄える蓄電部と、レーザ発振器を正常に動作可能な電力値を下回る、電源部から供給される電力の低下を検出する電力低下検出部と、電力低下検出部により電力の低下が検出されると、ガス流路を密閉状態とするように、蓄電部に蓄えられた電力を用いてガス給排部を制御する制御部と、レーザ発振器の動作の異常を検出する異常検出部とを備え、制御部は、電力低下検出部により電力の低下が検出されずに、異常検出部によりレーザ発振器の動作の異常が検出されると、所定の異常停止動作を行い、電力低下検出部により電力の低下が検出されると、異常検出部によりレーザ発振器の動作の異常が検出されても、ガス流路を密閉状態とするようにガス給排部を制御することを特徴とする。

本発明によれば、停電等による電力の低下時に、蓄電部に蓄えられた電力を用いてガス流路を密閉状態とするようにガス給排部を制御するので、停電前のガス流路におけるレーザガス状態を停電中も維持できる。このため、復電時に、レーザガスの交換工程を省略することができ、短時間で放電を再開することができる。

本発明の実施形態に係るガスレーザシステムを構成するレーザ発振器の構成を概略的に示す図。 本発明の実施形態に係るガスレーザシステムの概略構成を示すブロック図。 本発明の実施形態に係るガスレーザシステムの主要な動作を示すタイムチャート。

以下、図１〜図３を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るガスレーザシステムを構成するレーザ発振器１の構成を概略的に示す図である。本実施の形態に係るレーザシステムは、加工、医療、計測等、幅広い分野で用いることができる。

図１に示すように、レーザ発振器１は、レーザガスが循環するガス流路２と、ガス流路２に連通する放電管３と、放電管３を挟むように配置された出力鏡４およびリア鏡５と、放電管３に電圧（放電管電圧）を印可するレーザ電源６と、ガス流路２に沿ってレーザガスを循環させる送風機７と、ガス流路２にレーザガスを給気する給気装置８と、ガス流路２からレーザガスを排気する排気装置９とを備える。

ガス流路２は、レーザガス容器２ａにより形成される。レーザガス容器２ａは密閉された真空容器であり、レーザガス容器２には、所定のレーザガスが大気から遮断された状態で封入されている。レーザガスとしては、炭酸ガス、窒素ガス、アルゴンガス等のレーザ媒体を含んだレーザ発振用の媒質ガスが用いられる。

レーザ電源６は、ガスレーザシステムの電源部２０（図２）に接続され、電源部２０からレーザ電源６に電力が供給される。制御部１０は、レーザ電源６から放電管３に供給される電力を制御する。レーザ電源６から放電管３に電力が供給されると、すなわち放電管電圧が印加されると、レーザガスは放電管３を通過中に励起されてレーザ活性状態となる。放電管３により生じた光は、出力鏡４とリア鏡５との間で増幅され、その一部がレーザ光１１として出力鏡４から出力される。このレーザ光１１は、開閉可能なシャッター１２を通過し、対象物に照射される。

送風機７は、電動モータにより駆動するファンあるいはブロアにより構成される。送風機７には図示しない送風機インバータを介して電源部２０（図２）から電力が供給され、この電力により送風機７は回転し、ガス流路２に沿ってレーザガスを循環させる。送風機７の上流側および下流側のガス流路２にはそれぞれ第１熱交換機１３と第２熱交換機１４とが配設されている。各熱交換機１３，１４には所定の冷媒（例えば冷却水）が流される。レーザガスは、この冷媒との熱交換により熱交換器１３，１４の通過時に冷却され、所定温度に保たれる。

ガス流路２には、給気流路１５および排気流路１６がそれぞれ接続されている。給気流路１５には給気装置８が設けられ、排気流路１６には排気装置９が設けられている。給気装置８は、給気弁８ａを含み、排気装置９は、排気弁９ａと真空ポンプ９ｂとを含む。

給気弁８ａおよび排気弁９ａは、制御部１０からの制御信号により開放および閉鎖する開閉弁（電磁弁）である。すなわち、給気弁８ａおよび排気弁９ａは、それぞれソレノイドとばねを内蔵し、ソレノイドが非励磁の中立状態で、ばね力により閉じられる。一方、ソレノイドに制御部１０から電力が供給されてソレノイドが励磁すると、給気弁８ａおよび排気弁９ａは、ばね力に抗して開放する。すなわち、給気弁８ａおよび排気弁９ａは、制御部１０がこれらにオン信号を出力すると開放し、オフ信号（密閉指令）を出力すると閉鎖する。なお、給気弁８ａおよび排気弁９ａを、その弁開度を調整可能な電磁比例弁として構成することもできる。

給気流路１５には、レーザガスが貯留された高圧のタンク（不図示）が接続されている。したがって、給気弁８ａを開放すると、給気弁８ａを介してタンクからガス流路２にレーザガスが給気される。一方、排気弁９ａを開放して真空ポンプ９を駆動すると、排気弁９ａを介してガス流路２からレーザガスが排気される。給気弁８ａおよび排気弁９ａを閉鎖すると、ガス流路２は密閉状態とされる。

レーザ発振時には、給気流路１５と排気流路１６を介してガス流路２にレーザガスが給排され、レーザガス容器２ａ内におけるレーザガスの微量の入れ替えが行われる。第１熱交換機１３の下流側かつ送風機７の上流側には、ガス圧検出器１７が設けられ、レーザガス容器２ａ内のガス圧はガス圧検出器１７により検出される。制御部１０は、ガス圧検出器１７の検出値に基づき送風機７、給気装置８および排気装置９に制御信号（ガス圧制御指令）を出力し、レーザガス容器２ａ内のガス圧を所定のガス圧に制御する。

以上のように構成されたレーザ発振器１の起動が指令されると、レーザ発振器１は、制御部１０からの指令により予め所定の準備動作を行った後に、放電動作を開始する。準備動作は、例えば排気装置９によってレーザガス容器２ａ内のガスを排気する工程と、排気工程の後に、給気装置８によってレーザガス容器２ａ内に所定圧のレーザガスを給気する工程とを含み、準備動作によりレーザガス容器２ａ内のガスが置換される。なお、排気工程が完了する前に給気工程を開始してもよい。

一方、放電終了後に、レーザ発振器１の運転を正常に停止する場合には、レーザ発振器１は、制御部１０からの指令により所定の正常停止動作を行う。正常停止動作は、給気装置８の給気弁８ａおよび排気装置９の排気弁９ａを閉じる工程と、真空ポンプ９ｂおよび送風機７の駆動を停止する工程とを含み、レーザガス容器２ａ内に、大気圧よりも高い圧力のレーザガスを充填した状態で終了する。これによりレーザ発振器１の運転停止後に、ガス流路２に大気が混入されることを防止する。

制御部１０は、レーザ発振器１の動作の異常を検出する異常検出部１０ａを有し、異常検出部１０ａにより動作異常が検出されると、レーザ発振器１の動作を強制的に停止（アラーム停止）する。すなわち、異常停止動作を行って、レーザ発振器１の動作を停止する。異常検出部１０ａは、例えば、レーザガス容器２ａ内のガス圧や温度、放電状態、あるいは真空ポンプ９ｂや送風機７の駆動状態を検知して、レーザ発振器１の動作異常の有無を判定する。そして、動作異常と判定すると、真空ポンプ９ｂと送風機７の駆動を停止するとともに、給気弁８ａと排気弁９ａをともに開放する。これによりレーザ発振器１が、起動前の初期状態に復帰する。

正常停止動作後に、レーザ発振器１を再起動する場合には、制御部１０は、動作停止時間が所定時間以内であるか否かを判定する。この判定は、レーザガス容器２ａのレーザガスが所定状態に維持されているか否かの判定である。すなわち、動作停止時間が所定時間以内である場合には、ガス流路２への大気の混入やガス流路２からのレーザガスのリークがないとして、ガス流路２のレーザガスが所定状態に維持されていると判定する。

この場合には、準備動作の一部または全部（例えばレーザガスの置換）を省略し、放電を開始する。これによりレーザ発振器１の起動に要する時間を短縮し、短時間で放電を再開することができる。なお、レーザガス容器内２ａ内のレーザガス圧が所定状態に維持されていると判定できるのであれば、動作停止時間ではなく、他のパラメータ（例えばレーザガス容器２ａ内のレーザガスの温度や圧力）を判定基準として用いてもよい。

ところで、例えば電力事情のよくない地域でレーザ発振器１を運転中に、停電により電力が遮断されると、異常検出部１０ａが異常を検出し、レーザ発振器１の正常停止動作が行われないおそれがある。この場合には、レーザ発振器１の再起動の際に、準備動作を省略することができず、放電を短時間で再開することができない。これを避けるため、本実施形態では、以下のようにガスレーザシステムを構成する。

図２は、本発明の実施形態に係るがガスレーザシステムの概略構成を示すブロック図である。図中、レーザ発振器１のガス循環系１ａは、ガス流路２におけるレーザガスの循環に係る構成、すなわち送風機７、給気装置８、排気装置９およびガス圧検出器１７を含み、図２は、主に、ガス循環系１ａの制御に係る構成を示す。

図２に示すように、ガスレーザシステムの電源部２０には、レーザ発振器１と、制御部１０と、蓄電装置２１と、電力低下検出部２２とが接続されている。蓄電装置２１は所定容量のバッテリであり、蓄電装置２１に電源部２０からの供給電力が蓄えられる。蓄電装置２１は制御部１０に接続され、制御部１０は、蓄電装置２１から供給される電力によって動作可能である。

電力低下検出部２２は、電圧計を含んで構成され、電源部２０から供給される電力の低下、すなわち供給電力Ｗが所定値Ｗａ以下となったことを検出する。所定値Ｗａは、例えば停電の発生時における電力に相当し、電力低下検出部２２により、停電の発生の有無が検出される。すなわち、所定値Ｗａは、レーザ発振器１を正常に動作可能な電力レベルであり、電力低下検出部２２は、レーザ発振器１を正常に動作可能な電力値Ｗａを下回る電力の低下を検出する。電力低下検出部２２は制御部１０に接続され、電力低下検出部２２により検出された電力の低下（電力低下信号）は、制御部１０に通知される。

制御部１０は、この電力低下検出部２２とガス循環系１ａのガス圧検出器１７からの信号に基づき、ガス循環系１ａの給気弁８ａおよび排気弁９ａに制御信号を出力する。すなわち、電力低下検出部２２から電力低下信号が出力されない場合、制御部１０は、ガス圧検出器１７によって検出されたガス圧データに基づきガス循環系１ａに制御信号（ガス圧制御指令）を出力し、ガス流路２のガス圧を所定のガス圧に制御する。一方、電力低下検出部２２から電力低下信号が出力されると、制御部１０は、ガス圧制御指令の出力を停止するとともに、給気弁８ａおよび排気弁９ａにオフ信号（密閉指令）を出力し、給気弁８ａおよび排気弁９ａを閉じる。

本発明の実施形態に係るガスレーザシステムの主要な動作を、図３のタイムチャートを参照して説明する。時点ｔ０において、レーザ発振器１の運転中における電源部２０からの供給電力Ｗは、所定値Ｗａよりも大きい。したがって、制御部１０は、電源部２０からの電力を用いてガス循環系１ａにガス圧制御指令を出力（オン）する。この状態で停電が起こると、図３に示すように、電源部２０から供給される電力Ｗが低下する。

時点ｔ１で、供給電力Ｗが所定値Ｗａ以下になると、電力低下検出部２２は電力低下信号を出力（オン）する。このとき、制御部１０には蓄電装置２１から電力が供給され、制御部１０は、ガス圧制御指令の出力を停止（オフ）するとともに、蓄電装置２１からの電力を用いて給気弁８ａおよび排気弁９ａにオフ信号を出力、すなわち密閉指令をオンする。これにより、給気弁８ａおよび排気弁９ａが閉じられ、循環系（ガス流路２）は密閉状態となる。

密閉指令の出力は、時点ｔ１から時点ｔ２まで所定時間だけ継続される。この所定時間は、蓄電装置２１の放電時間に相当し、時点ｔ２で、蓄電装置２１から制御部１０への電力供給が遮断され、ガスレーザシステムが完全停止状態となる。このように密閉指令を所定時間継続して出力することで、仮に異常検出部１０ａが動作異常を検出したとしても、給気弁８ａと排気弁９ａの開放を伴う異常停止動作は行われず、ガス流路２を密閉状態に維持できる。

時点ｔ２で、ガスレーザシステムが完全に停止した後は、密閉指令は出力されず、給気弁８ａおよび排気弁９ａは、ソレノイドが非励磁の中立状態となる。したがって、給気弁８ａおよび破棄弁９ａは閉じられたままであり、レーザガス容器２の密閉状態が維持される。このように停電中にガス流路２の密閉状態を維持することで、時点ｔ３で停電が解消されてガスレーザシステムが再起動されたときにおけるガス流路２のガス状態は、停電前のガス状態と等しい。したがって、レーザ発振器１の起動のための準備動作を改めて行う必要がなく、ガスレーザシステムの起動直後の時点ｔ４で、放電を再開することができる。

本発明の実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）ガスレーザシステムは、電源部２０と、電源部２０から供給される電力を蓄える蓄電装置２１と、電源部２０から供給される電力の低下を検出する電力低下検出部２２と、レーザ発振器１の給気弁８ａおよび排気弁９ａを開閉制御する制御部１０とを備える。制御部１０は、電力低下検出部２２により電力低下が検出されると、蓄電装置２１に蓄えられた電力を用いて給気弁８ａおよび排気弁９ａに密閉指令を出力し、ガス流路２を密閉状態とする。これにより停電等により電力供給が低下した場合に、その電力供給低下時点（図３の時点ｔ１）におけるレーザガス容器２ａ内のガス状態が、停電中も維持される。このため、復電時（図３の時点ｔ３）に、レーザ発振器１のレーザガスの交換工程を省略することができ、短時間で放電を再開することができる。

（２）制御部１０は、電力低下検出部２２により電力の低下が検出されずに、異常検出部１０ａによりレーザ発振器１の動作の異常が検出されると、異常停止動作を行い、電力低下検出部２２により電力の低下が検出されると、異常検出部１０ａによりレーザ発振器１の動作の異常が検出されても、ガス流路２を密閉状態とするように給気弁８ａおよび排気弁９ａを制御する。このため、停電中には、アラーム停止の動作が行われず、ガス流路２の密閉状態を確実に維持できる。

（３）給気弁８ａおよび排気弁９ａを、制御部５からの指令が停止してソレノイドが非励磁である中立状態において閉じられる電磁弁として構成した。これにより、蓄電装置２１から制御部１０への電力供給が停止し、ガスレーザシステムが完全停止した後も、ガス流路２の密閉状態を維持できる。

なお、上記実施形態では、電源部２０から供給される電力を蓄電装置２１に蓄えるようにしたが、蓄電部の構成はこれに限らない。例えば、制御部１０内に設けられたコンデンサに電力を蓄えるようにしてもよい。電力低下検出部２２として電圧計を用い、所定値Ｗａ以下となる電力の低下を検出したが、電力低下検出部２２の構成はこれに限らない。上記実施形態では、停電時における供給電力の低下を電力低下検出部２２により検出したが、供給電力の低下は、停電時だけでなく、例えば手動でメイン電源をオフした場合にも生じる。したがって、電力低下検出部２２は、この場合の電力の低下も検出することができ、本発明のガスレーザシステムは、停電時以外にも適用可能である。上記実施形態では、レーザ電源６を介して電源部２０からの電力を放電管３に印加するようにしたが、レーザ電源６を電源部２０に含めるようにしてもよい。すなわち、ガスレーザシステムの主電源である電源部２０の構成は上述したものに限らない。

上記実施形態では、制御部１０からの指令が停止した状態で閉じられる弁装置（給気弁８ａ、排気弁９ａ）を含む給気装置８および排気装置９により、ガス流路２にレーザガスを給気およびガス流路２からレーザガスを排気するようにしたが、ガス給排部の構成はこれに限らない。レーザガスが循環するガス流路２の構成はいかなるものでもよく、レーザ発振器１の構成も上述したものに限らない。電力低下検出部２２により電力の低下が検出されると、ガス流路２を密閉状態とするように、蓄電部に蓄えられた電力を用いてガス給排部を制御するのであれば、制御部１０の構成はいかなるものでもよい。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。

１ レーザ発振器
２ ガス流路
８ 給気装置
８ａ 給気弁
９ 排気装置
９ａ 排気弁
１０ 制御部
１０ａ 異常検出部
２０ 電源部
２１ 蓄電装置
２２ 電力低下検出部

Claims (2)

1. レーザガスが循環するガス流路と、該ガス流路にレーザガスを給気およびガス流路からレーザガスを排気するガス給排部とを有するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器に電力を供給する電源部と、
   前記電源部から供給される電力を蓄える蓄電部と、
   前記レーザ発振器を正常に動作可能な電力値を下回る、前記電源部から供給される電力の低下を検出する電力低下検出部と、
   前記電力低下検出部により電力の低下が検出されると、前記ガス流路を密閉状態とするように、前記蓄電部に蓄えられた電力を用いて前記ガス給排部を制御する制御部と、
   前記レーザ発振器の動作の異常を検出する異常検出部とを備え、
   前記制御部は、前記電力低下検出部により電力の低下が検出されずに、前記異常検出部により前記レーザ発振器の動作の異常が検出されると、所定の異常停止動作を行い、前記電力低下検出部により電力の低下が検出されると、前記異常検出部により前記レーザ発振器の動作の異常が検出されても、前記ガス流路を密閉状態とするように前記ガス給排部を制御することを特徴とするガスレーザシステム。
2. 請求項１に記載のガスレーザシステムにおいて、
   前記ガス給排部は、前記ガス流路に連通するレーザガスの給排経路に設けられる弁装置であって、前記制御部からの指令が停止した状態で閉じられる弁装置を有することを特徴とするガスレーザシステム。

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