JP6502117B2

JP6502117B2 - レーザ装置

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Publication number: JP6502117B2
Application number: JP2015028391A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　智明; 智明佐藤
Original assignee: Amada Miyachi Co Ltd
Current assignee: Amada Miyachi Co Ltd
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2035-02-17
Also published as: JP2016152286A

Description

本発明は、フラッシュランプの発する励起光を固体レーザ媒体に照射してレーザ発振を行うレーザ装置に関する。

一般に、固体のレーザロッドをレーザ媒体に使用し、フラッシュランプを励起光源に用いるレーザ装置（たとえばＹＡＧレーザ）は、チャンバの中にレーザロッド（ＹＡＧロッド）とフラッシュランプとを並置し、フラッシュランプより発せられる励起光をレーザロッドの側面または周面に照射し、励起光のエネルギーで励起またはポンピングされたレーザロッドの両端面から出る所定波長の光を全反射ミラーと部分反射（出力）ミラーとの間で共振増幅して、出力ミラーよりレーザ光を取り出すようにしている。

この種のフラッシュランプは、直管形のガラス管の両端部に一対の電極つまりアノード電極およびカソード電極を対向配置するとともに、発光の基となる希ガス（一般にキセノンガス）を封入している。そして、ランプの点灯を開始するときは、たとえばパルストランス等で構成される高電圧パルス発生回路より、ランプ内の両電極間に高電圧パルスを印加するか、あるいはランプの中または外近傍に配置されているトリガ電極に高電圧パルスを印加して、ガラス管に封入されているガスの絶縁を破壊する。こうしてガラス管内でガスの絶縁が破壊されると、主点灯回路から駆動電流がフラッシュランプに供給され、ガスの放電または発光が継続する。ランプの点灯開始をよくするために、待機（レーザ未発振）中のフラッシュランプに微弱な予備放電電流を流しておくシマー回路もよく用いられている。

特開平７−１８３５９６号公報

通常、上記のような固体レーザ装置は、レーザの発振効率を高めるために、チャンバに冷却水を供給し、チャンバ内でフラッシュランプおよびレーザロッドを冷却水に晒すようにしている。一般に、外部トリガ方式は、チャンバ内でトリガ電極も冷却水に晒されるので、トリガ電極からの漏電を防止するために、冷却水に絶縁性の高い純水を使用し、チャンバの材質に樹脂等の絶縁体を用いている。このため、チャンバに冷却水を供給する冷却装置は、水道水または工業用水から純水を得るために高価なイオン交換樹脂を備える必要がある。また、樹脂製のチャンバは、フラッシュランプおよびレーザロッドを安定に保持し、かつ冷却水の水漏れを防止するための加工が非常に難しく、製作コストが金属製のチャンバよりも高くついている。

また、フラッシュランプの中にトリガ電極を設けて、このトリガ電極に高電圧パルスを印加する内部トリガ方式は、フラッシュランプ内部の電極構造が煩雑となり、高価なフラッシュランプを必要とする。フラッシュランプは定期的に交換される消耗部品であるから、高価なフラッシュランプを使用するレーザ装置のランニングコストはかなり高くつく。

この点、フラッシュランプの点灯開始時にランプ内の両電極間にトリガ用のパルス電圧を印加する電極間トリガ方式は、トリガ電極が不要であるため、フラッシュランプの内部および周囲の構成はシンプルであり、安価なフラッシュランプを用いることができる。しかしながら、電極間トリガ方式においては、トリガ電極を使わないため、フラッシュランプ内のガスの絶縁破壊に用いるトリガパルスの尖頭値を十分高くする必要があり、それでもガスの絶縁破壊ないし放電に至らないことが多々ある。その場合つまり点灯エラー時には、フラッシュランプから瞬発的で異常に高い電圧つまりサージ電圧が発生する。一般のフラッシュランプは点灯を繰り返す度に徐々に劣化するため、点灯回数が増えるにしたがってトリガパルスの尖頭値を高くする必要がある。ところが、トリガパルスの尖頭値を高くするほど、点灯エラー時に発生するサージ電圧の尖頭値も高くなる。

フラッシュランプには主点灯回路やシマー回路が電気的に接続されているので、フラッシュランプで発生したサージ電圧が主点灯回路やシマー回路に回り込むと、それらの内部でスイッチング素子や電源回路部品等が破損してしまう。したがって、点灯エラー時にフラッシュランプで発生するサージ電圧から主点灯回路やシマー回路を十全に保護するための保護回路が必要になる。

電極間トリガ方式を用いる従来のレーザ装置は、上記のようなサージ電圧に対する保護回路として、主点灯回路およびシマー回路の出力段に直列接続で多数個（通常４〜６個）の高耐圧ダイオードを設けている。この場合、シマー回路は、扱う電流つまりシマー電流が小さいので、小型・小容量のダイオードで済み、コスト面および消費電力面の支障は比較的少ない。一方、主点灯回路は、フラッシュランプに対して主点灯または駆動用の大電流を供給するので、高価な大型・大容量の高耐圧ダイオードを多数用いる構成となり、コストが高くついている。さらに、大型・大容量の高耐圧ダイオードを直列接続で多段に設けるため、正常時に主点灯回路よりフラッシュランプに駆動電流が供給される際にダイオード列で大きな電圧降下（ひいては電力損失）が発生し、レーザ発振効率が低いことも問題となっている。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、固体レーザ励起用のフラッシュランプの点灯開始に電極間トリガ方式を用いて、装置性能および信頼性の向上と低コスト化を実現するレーザ装置を提供する。

本発明のレーザ装置は、固体レーザ媒体を有するレーザ発振部と、前記固体レーザ媒体に励起光を照射するための電極間トリガ方式のフラッシュランプを有する励起部と、前記固体レーザ媒体と前記フラッシュランプとを対置して収容するチャンバと、前記フラッシュランプの点灯を開始するために前記フラッシュランプの一対の電極間に高電圧パルスを印加するトリガ回路と、前記フラッシュランプに待機用の予備放電電流を供給するシマー回路と、待機中の前記フラッシュランプに主点灯用の駆動電流を供給する主点灯回路と、前記主点灯回路と前記フラッシュランプとの間に接続され、前記主点灯回路から前記フラッシュランプに供給されるべき前記駆動電流を通し、点灯エラー時に前記フラッシュランプで発生するサージ電圧を吸収する点灯エラー保護回路とを具備し、
前記点灯エラー保護回路は、前記主点灯回路と前記フラッシュランプとの間で前記フラッシュランプと直列に接続され、点灯開始前は開状態を保ち、点灯開始後に開状態から閉状態に切り替わる開閉器と、前記主点灯回路と前記開閉器との間で前記主点灯回路側から見て前記フラッシュランプと並列に接続され、所定の導通開始電圧以上の電圧を印加されると導通するサージ吸収素子とを有し、前記導通開始電圧は、前記フラッシュランプからの前記サージ電圧が前記主点灯回路に回り込まないうちに前記サージ吸収素子が導通するように設定され、前記主点灯回路と点灯エラー保護回路との間にダイオードが順方向の向きで接続され、前記導通開始電圧は、前記主点灯回路の出力電圧から前記ダイオードの順方向降下電圧を減じた値よりも高い値に設定される。

上記の装置構成においては、トリガ回路より出力された高電圧パルスがフラッシュランプの両電極に印加される。高電圧パルスの印加により両電極間でガスの絶縁が破壊されると、ガス分子が電離し、ガス分子の電離から発生した電子がさらにガス分子と衝突して次々と電離または励起を拡大させ、電子の雪崩現象が起きて放電が開始し、さらにシマー回路からの予備放電電流により、グロー放電を継続させ、フラッシュランプを微弱に点灯させる。この状態の下で、レーザ光を発振させる時は、主点灯回路より主電流または駆動電流が点灯エラー保護回路を通ってフラッシュランプに供給され、フラッシュランプより励起光が発生される。フラッシュランプより発せられた励起光は固体レーザ媒体を励起し、励起された固体レーザ媒体より所定の光軸方向に出た一定波長の光が光共振器の中で反射を繰り返して増幅されたのちレーザ光として出力される。

しかし、トリガ回路からの高電圧パルスの印加にも係らずフラッシュランプの両電極間でガスの絶縁が破壊されない場合は、その反動からフラッシュランプで瞬発的かつ尖頭値の非常に高いサージ電圧が発生する。本発明では、フラッシュランプでサージ電圧が発生した時は、点灯エラー保護回路が働いて、サージ電圧が主点灯回路に回り込まないうちにサージ吸収素子が導通してサージ電圧を速やかに吸収するので、主点灯回路側の回路素子がサージ電圧によって破壊されることはない。

また、主点灯回路と点灯エラー保護回路との間にダイオードが順方向の向きで接続され、サージ吸収素子の導通開始電圧が主点灯回路の出力電圧から該ダイオードの順方向降下電圧を減じた値よりも高い値に設定されることにより、正常時に主点灯回路よりフラッシュランプに励起電流が供給されている時に、サージ吸収素子が誤動作（誤って導通）することはない。しかも、サージ吸収素子がサージ電圧を吸収するので、該ダイオードもサージ電圧から保護される。

本発明のレーザ装置によれば、上記のような構成および作用により、フラッシュランプの点灯開始に電極間トリガ方式を使用して、装置性能および信頼性の向上と低コスト化を実現することができる。

本発明の一実施形態におけるＹＡＧレーザ加工装置の全体の構成を示すブロック図である。上記ＹＡＧレーザ加工装置のチャンバ回りの構成を示す正面から見た縦断面図である。上記ＹＡＧレーザ加工装置におけるチャンバ回りの構成を示す側面から見た縦断面図である。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
［装置全体の構成］

図１に、本発明の一実施形態におけるＹＡＧレーザ加工装置の全体の構成を示す。このＹＡＧレーザ加工装置は、主な構成要素として、チャンバ１０、レーザ発振部１２、レーザ励起部１４、シマー回路１５、トリガ回路１６、点灯エラー保護回路１８および制御部２０を有しており、レーザ加工用のパルスレーザ光ＬＢを単発または所定の繰り返し周波数で発振出力するように構成されている。

レーザ発振部１２は、ＹＡＧロッド２２と、このＹＡＧロッド２２を挟んでロッド軸方向で対向配置される一対のミラーつまり全反射ミラー２４および部分反射（出力）ミラー２６とを有している。ここで、全反射ミラー２４と出力ミラー２６は光共振器を構成している。レーザ励起部１４は、ＹＡＧロッド２２に励起光を照射するためのフラッシュランプ２８と、このフラッシュランプ２８にランプ点灯または発光用の駆動電流を供給するための主点灯回路またはレーザ電源回路３０とを有している。

チャンバ１０は、導体からなる分解可能かつ密閉可能な容器として構成されており、レーザ発振部１２のＹＡＧロッド２２とレーザ励起部１４のフラッシュランプ２８とを対置または並置して収容している。この実施形態では、チャンバ１０の中に、ＹＡＧロッド２２およびフラッシュランプ２８を取り囲み、フラッシュランプ２８から放射された光（励起光）を内壁面で反射する導体たとえば銅製の楕円反射鏡筒２５が設けられている。この場合、ＹＡＧロッド２２およびフラッシュランプ２８は、楕円反射鏡筒２５内の一対の楕円焦点軸上にそれぞれ配置される。チャンバ１０には冷却装置３２より配管３４を介して一定温度の冷却水が循環供給され、チャンバ１０の中でＹＡＧロッド２２およびフラッシュランプ２８は冷却水に晒されるようになっている。

主点灯回路３０は、フラッシュランプ２８を点灯駆動するための電力を蓄積するコンデンサ（またはコンデンサバンク）３６と、たとえば単相交流電源３８からの商用交流を直流に変換してコンデンサ３６を所定の電圧に充電する充電回路４０と、コンデンサ３６とフラッシュランプ２８との間に接続されたスイッチング素子たとえばトランジスタ４２と、制御部２０の制御の下でトランジスタ４２をスイッチング駆動する駆動回路４４とを有している。スイッチング素子４２がオンすると、コンデンサ３６がオン状態のスイッチング素子４２を介して放電し、その放電電流がランプ駆動電流Ｉ_Rとしてフラッシュランプ２８に供給されるようになっている。

このＹＡＧレーザ加工装置において、パルスレーザ光ＬＢを用いて所望のレーザ加工を行うときは、主点灯回路３０よりパルス波形のランプ駆動電流Ｉ_Rが点灯エラー保護回路１８を通ってフラッシュランプ２８に供給される。レーザ励起部１４では、フラッシュランプ２８がランプ駆動電流Ｉ_Rの供給を受けてパルス点灯し、フラッシュランプ２８の発する光のエネルギーによってＹＡＧロッド２２が励起される。レーザ発振部１２では、ＹＡＧロッド２２の両端面より軸方向に出た一定波長の光が、光共振器ミラー２４，２６の間で反射を繰り返して増幅されたのちパルスレーザ光ＬＢとして出力ミラー２６を抜け出る。出力ミラー２６より抜け出たパルスレーザ光ＬＢは、適当なレーザ伝送系（図示せず）を介してレーザ加工部（図示せず）へ送られ、そこで被加工物（図示せず）に照射される。

シマー回路１５は、本装置に電源が入っていてパルスレーザ光ＬＢが発振出力されていない間の待機中に、主制御部２０の制御の下でフラッシュランプ２８に微弱な予備放電電流またはシマー電流Ｉsを供給する。フラッシュランプ２８の点灯開始の際には、シマー回路１５から制御部２０に対して、フラッシュランプ２８が首尾よくシマー点灯したか否かを示す点灯確認信号ＳＣが与えられるようになっている。

シマー回路１５の出力段には、点灯エラー時にフラッシュランプ２８で発生するサージ電圧からシマー電源部を保護するための保護回路として、高耐圧ダイオード（図示せず）を設けることができる。シマー電流が小さいので、この高耐圧ダイオードは小型・小容量のダイオードでよい。このため、比較的コストが低くて消費電力も少ない。さらに、この実施形態では、後述するように、点灯エラー時にフラッシュランプ２８でサージ電圧が発生した場合は点灯エラー保護回路１８が速やかにサージ電圧を吸収するので、シマー回路１５側の保護回路の負担は少なくて済む。このことにより、保護回路に用いる高耐圧ダイオードの数を可及的に少なくすることができる。

トリガ回路１６の出力端子は、フラッシュランプ２８に対して電極間トリガ方式の点灯開始を行うように結線されている。より詳細には、トリガ回路１６の正極側出力端子および負極側出力端子は、フラッシュランプ２８のアノード電極６６およびカソード電極６８にそれぞれ電気的に接続されている。トリガ回路１６より高電圧のトリガパルスＴＰが印加されると、フラッシュランプ２８内でガスの絶縁破壊が起きて、電子の雪崩現象により微弱な点灯（グロー放電）が生じるようになっている。トリガ回路１６は、パルストランス等の昇圧回路を有し、たとえば５ｋＶ〜１０ｋＶの尖頭値を有する高電圧のトリガパルスＴＰを出力するように構成されている。

なお、フラッシュランプ２８は交換可能な消耗部品であり、点灯を繰り返す度に徐々に劣化し、ランプ電極間の絶縁破壊電圧が次第に高くなる。この点に関しては、制御プログラムないし制御部２０の制御の下で、トリガ回路１６より出力されるトリガパルスＴＰの電圧値（尖頭値）を経時的にあるいは必要に応じて段階的に上げる調整を行うことができる。

点灯エラー保護回路１８は、開閉器１００、サージ吸収素子１０２および１個（または複数個）のダイオード１０４を有して構成され、主点灯回路３０からフラッシュランプ２８に供給されるべきランプ駆動電流Ｉ_Rを通し、点灯開始で点灯エラーが生じた際にフラッシュランプ２８で発生するサージ電圧を速やかに吸収するように構成されている。

より詳細には、開閉器１００は、主点灯回路３０とフラッシュランプ２８との間でフラッシュランプ２８と直列に接続され、制御部２０の制御の下で点灯開始前は開状態を保ち、点灯開始後に開状態から閉状態に切り替わるように構成されている。より具体的には、開閉器１００は、好ましくは電磁接触器からなり、通常はリレーと組み合わせて用いられる。この種の開閉器は、多数回の頻繁な開閉に耐えられる反面、瞬時的な大電流、特にサージ電流をオフ状態（開状態）でも主接点間の放電によって通しやすい一面もある。

サージ吸収素子１０２は、主点灯回路３０と開閉器１００との間で主点灯回路３０側から見てフラッシュランプ２８と並列に接続される。ダイオード１０４は、好ましくは大型・大容量の高耐圧ダイオードであり、主点灯回路３０とサージ吸収素子１０２との間でフラッシュランプ２８と直列に順方向の向き（ランプ駆動電流Ｉ_Rを通す向き）で接続される。

サージ吸収素子１０２は、所定の導通開始電圧ＳＶ以上の電圧を印加されると導通（または放電）するようになっている。より具体的には、サージ吸収素子１０２は、バリスタ、アレスタ、アレスタと抵抗の複合体、またはアリスタとバリスタの複合体からなり、上記導通開始電圧（または放電開始電圧）ＳＶ以上の電圧を印加されると、その内部が導通（または放電）状態となって、印加電圧を吸収するように構成されている。

この実施形態において、サージ吸収素子１０２の導通開始電圧ＳＶは、点灯エラーが生じた場合はフラッシュランプ２８からのサージ電圧に対してダイオード１０４が逆方向で導通しない（サージ電圧が主点灯回路３０に回り込まない）うちにサージ吸収素子１０２が導通（または放電）し、点灯エラーが生じない場合や主点灯時にはトリガパルスＴＰの印加電圧または主点灯回路３０の出力電圧に対してサージ吸収素子１０２が誤って導通しないように設定される。

主制御部２０は、好ましくはＣＰＵ（マイクロコンピュータ）を含んで構成され、プログラムメモリに格納している各種プログラム（ソフトウェア）にしたがって装置各部の動作、特にシマー回路１５、トリガ回路１６、主放電回路３０（充電回路４０、駆動回路４４）、冷却装置３２、点灯エラー保護回路１８（開閉器１００）等の動作および装置全体のシーケンスを制御し、タッチパネルやディスプレイ等を含む操作盤（図示せず）を介してユーザ（作業員、保守員等）と情報（設定値、モニタ情報等）をやりとりする。

［チャンバ回りの構成］

ここで、図２および図３を参照して、このＹＡＧレーザ加工装置におけるチャンバ１０回りの構成を説明する。

チャンバ１０は、台座（ベース）５０の上に複数のボルト５２で固定される上面の開口した下部チャンバ部材１０Ｌと、この下部チャンバ部材１０Ｌの上に被さるようにして着脱可能に取り付けられる下面の開口した上部チャンバ部材１０Ｕとで構成される。本実施形態において、下部チャンバ部材１０Ｌおよび上部チャンバ部材１０Ｕは、導体であるステンレスからなり、図３に示すように、それぞれの開口部およびフランジ部５４Ｌ，５４Ｕを上下に突き合わせ、Ｏリング５６を介して液密かつ分解可能に結合される。

下部チャンバ部材１０Ｌおよび上部チャンバ部材１０Ｕは、ステンレス以外の導体、たとえばアルミニウム、銅、真鍮等の金属を用いて形成することができる。また、樹脂の表面に金属メッキを施すことで形成することもできる。

図３において、下部チャンバ部材１０Ｌの内側には、コ字状の下部保持部材５８Ｌを介して下部半楕円反射鏡筒部材２５Ｌが固定され、この下部半楕円反射鏡筒部材２５Ｌの内側にＹＡＧロッド２２が取り付けられる。一方、上部チャンバ部材１０Ｕの内側には、コ字状の上部保持部材５８Ｕを介して上部半楕円反射鏡筒部材２５Ｕが固定され、この上部半楕円反射鏡筒部材２５Ｕの内側の所定位置にフラッシュランプ２８が取り付けられる。下部半楕円反射鏡筒部材２５Ｌおよび上部半楕円反射鏡筒部材２５Ｕは、上下一体に合わさって断面楕円形の楕円反射鏡筒２５を形成する。この楕円反射鏡筒２５内の長手方向に延びる一対の楕円焦点軸上に、ＹＡＧロッド２２およびフラッシュランプ２８がそれぞれ配置される。

下部保持部材５８Ｌおよび上部保持部材５８Ｕは、たとえばステンレスまたはアルミニウム等の導体で構成されている。下部楕円反射鏡筒部材２５Ｌおよび上部楕円反射鏡筒部材２５Ｕは、内壁面が金メッキされた導体板たとえば銅板で構成されている。図示の構成例における下部楕円反射鏡筒部材２５Ｌおよび上部楕円反射鏡筒部材２５Ｕは、下部保持部材５８Ｌおよび上部保持部材５８Ｕを介して下部チャンバ部材１０Ｌおよび上部チャンバ部材１０Ｕにそれぞれ接続されている。

チャンバ１０の中で、下部チャンバ部材１０Ｌの開口部と上部チャンバ部材１０Ｕの開口部とはガラス板６０で仕切られている。このガラス板６０により、下部チャンバ部材１０Ｌの内側でＹＡＧロッド２２の周囲に冷却水を流す冷却水通路と、上部チャンバ部材１０Ｕの内側でフラッシュランプ２８の周囲に冷却水を流す冷却水通路とが分離される。また、フラッシュランプ２８の交換やメンテナンス等の際に万が一フラッシュランプ２８のガラス管が壊れても、ガラスの破片がガラス板６０の上に留まり、ＹＡＧロッド２２側には及ばないようになっている。

図２において、フラッシュランプ２８は、たとえばキセノンフラッシュランプであり、たとえば内径１０ｍｍの石英ガラス製直管（ガラス管）の両端部に円柱形状のカソード電極６６およびアノード電極６８（図１に図示、図２では図示省略）を配置し、キセノンガスを封入している。カソード電極６６およびアノード電極６８は、フラッシュランプ２８の両端から軸方向外側に延びる絶縁被覆電線７０，７２にそれぞれ電気的に接続されている。絶縁被覆電線７０，７２の端には、着脱可能な接続端子を構成する舌部７４，７６がそれぞれ取り付けられている。

フラッシュランプ２８内の両電極６６，６８間の距離またはアーク長は、点灯性能の面では短いほど好ましい。しかし、アーク長が短すぎると、レーザ発振効率の低下やレーザ出力の低下等の支障をきたすばかりでなく、熱レンズ効果の影響でレーザ光のビーム品質も低下する。逆に、アーク長が長いと、フラッシュランプ２８の点灯性能に支障をきたすばかりでなく、主電流つまりランプ駆動電流Ｉ_Rが増加するので、主点灯回路３０の電流定格を大きく必要があり、回路設計の難しさやコストアップにつながる。このことから、フラッシュランプ２８の電極間距離（アーク長）は、通常は６０〜９０ｍｍの長さに選ぶことが実用的に最も望ましい。

フラッシュランプ２８は、上部チャンバ部材１０Ｕの両端にボルト７８により着脱可能に取り付けられるランプ押え８０にその両端部をＯリング８２を介して保持される。ＹＡＧロッド２２はたとえば直径８ｍｍの丸棒の形体を有し、その両端部が筒状のレーザロッドホルダ８４に保持される。レーザロッドホルダ８４は、下部チャンバ部材１０Ｌの両端にボルト８６により着脱可能に取り付けられるロッド押え８８にＯリング９０を介して保持される。

下部楕円反射鏡筒部材２５Ｌおよび上部楕円反射鏡筒部材２５Ｕは、両端部にて下部保持部材５８Ｌおよび上部保持部材５８Ｕにそれぞれ保持され、ボルト９２，９４により下部チャンバ部材１０Ｌおよび上部チャンバ部材１０Ｕに固定される。

下部チャンバ部材１０Ｌおよび上部チャンバ部材１０Ｕには、下部楕円反射鏡筒部材２５Ｌおよび上部楕円反射鏡筒部材２５Ｕ内の冷却水通路をチャンバ１０の外の配管（図示せず）に接続するための流路９６が機械加工により形成されている。この流路９６の出口付近にはメッシュフィルタ９８が設けられる。上部チャンバ部材１０Ｕの上面には、流路９６から気泡を抜くためのキャップ１００が取り付けられる。

この実施形態では、下部チャンバ部材１０Ｌおよび上部チャンバ部材１０Ｕの材質がステンレスまたはアルミニウム等の金属であるため、チャンバ１０内に液密な流路９６を形成する機械加工や、下部保持部材５８Ｌ、上部保持部材５８Ｕ、レーザロッドホルダ８４等の部品加工、取付け、組立て等を簡単かつ高精度に行うことができる。

［トリガ機構及び点灯エラー保護回路の作用］

以下に、この実施形態のＹＡＧレーザ加工装置におけるトリガ機構および点灯エラー保護回路１８の作用を詳細に説明する。

制御部２０は、電源スイッチが投入されると、充電回路４０内のスイッチング素子（図示せず）をオンにして、コンデンサ３６を所定の電圧に充電させる。しかし、主点灯回路３０のスイッチング素子４２をオフ状態に保持しておくとともに、点灯エラー保護回路１８の開閉器１００もオフ状態（開状態）に保持しておく。そして、レーザ発振部１２よりパルスレーザ光ＬＢを発振出力するときは、後述するように、それに先立ってトリガ回路１６に所定の尖頭値を有する高電圧のトリガパルスＴＰを発生させ（それによってフラッシュランプ２８が点灯し）、シマー回路１５を通じてフラッシュランプ２８内に微弱なシマー電流Ｉ_Sを流し続けて待機状態とする。

トリガ回路１６より出力された高電圧のトリガパルスＴＰは、フラッシュランプ２８の両電極６６，６８間に直接印加される。これにより、正常な場合つまり点灯エラーが生じない場合は、フラッシュランプ２８内のカソード電極６８付近でキセノンガスの絶縁が破壊され、ガス分子が電離する。そうすると、ガス分子の電離から発生した電子がアノード電極６６に向かいながらガス分子と衝突して次々と電離または励起を拡大させ、電子の雪崩現象が起きて放電が開始する。

この場合、トリガ回路１６からのトリガパルスＴＰは、フラッシュランプ２８の両電極６６，６８間のキセノンガスに印加されるだけでなく、点灯エラー保護回路１８およびシマー回路１５にも印加される。点灯エラー保護回路１８においては、開状態の開閉器１００にトリガパルスＴＰが印加される。シマー回路１５においては、出力段のダイオード（保護回路）にトリガパルスＴＰが逆バイアスで印加される。

ここで、フラッシュランプ２８内で首尾よくキセノンガスの絶縁が破壊される場合は、開状態の開閉器１００内で主接点間のギャップが導通（放電）するには至らないため、サージ吸収素子１０２にかかる電圧はそれほど高くはなく（導通開始電圧ＳＶより十分に低く）、サージ吸収素子１０２は非導通状態を維持する。シマー回路１５内でも出力段のダイオードがトリガパルスＴＰを遮断する。

フラッシュランプ２８内ではカソード電極６８付近でキセノンガスの絶縁が破壊されると、ガス分子が電離する。そして、ガス分子の電離から発生した電子がアノード電極６６に向かいながらガス分子と衝突して次々と電離または励起を拡大させ、電子の雪崩現象が起きて放電が開始する。さらにシマー回路１５からのシマー電流Ｉ_Sにより、グロー放電を継続させる（シマー点灯させる）。

制御部２０は、フラッシュランプ２８が正常にシマー点灯したこと（予備放電準備完了または待機状態）をシマー回路１５からの点灯確認信号ＳＣで確認すると、点灯エラー保護回路１８の開閉器１００をそれまでの開状態（オフ状態）から閉状態（オン状態）に切り替える。これにより、主点灯回路３０よりフラッシュランプ２８に対して主電流つまりランプ励起電流Ｉ_Rの供給（本点灯）が可能な状態となる。しかる後、制御部２０は、パルスレーザ光ＬＢを発振出力するための指令を入力すると、たとえばエミッションボタン（図示せず）が押されると、主点灯回路３０の駆動回路４４を制御してスイッチング素子４２をオンさせる。これにより、主点灯回路３０より点灯エラー保護回路１８（ダイオード１０４およびオン状態の開閉器１００）を介してパルス波形の主電流つまりランプ励起電流Ｉ_Rがフラッシュランプ２８に供給され、フラッシュランプ２８より同じパルス波形の励起光が発生される。

なお、点灯エラー保護回路１８において、サージ吸収素子１０２の導通開始電圧ＳＶは、主点灯回路３０の出力電圧（スイッチング素子４２の出力電圧）からダイオード１０４の順方向降下電圧を減じた値よりも十分高い値に設定されている。したがって、主点灯回路３０よりフラッシュランプ２８にランプ励起電流Ｉ_Rが供給されている時に、サージ吸収素子１０２が誤動作（誤って導通）することはない。

フラッシュランプ２８より発せられた励起光は、楕円反射鏡筒２５の内壁で反射し、あるいはガラス板６０を透過して、ＹＡＧロッド２２の側面に入射し、ＹＡＧロッド２２を励起する。そして、上記のように、励起されたＹＡＧロッド２２の両端面より軸方向に出た一定波長の光が、光共振器ミラー２４，２６（図１）の間で反射を繰り返して増幅されたのちパルスレーザ光ＬＢとして出力ミラー２６を抜け出る。

しかし、点灯開始の際にトリガパルスＴＰの印加にも係らずフラッシュランプ２８内でキセノンガスの絶縁が破壊されない場合は、その反動で瞬発的かつ尖頭値の非常に高いサージ電圧が発生する。そうすると、点灯エラー保護回路１８においては、開状態の開閉器１００が主接点間の放電によってフラッシュランプ２８からのサージ電圧をサージ吸収素子１０２側に通し、サージ吸収素子１０２が直ちに導通（または放電）する。このように点灯エラー保護回路１８の開閉器１００およびサージ吸収素子１０２が協働してフラッシュランプ２８からのサージ電圧を速やかに吸収するので、サージ電圧が主点灯回路３０に回り込んでスイッチング素子（トランジスタ）４２等を破壊するような事態を確実かつ効率的に防止することができる。

点灯エラー保護回路１８に設けられるダイオード１０４も、主放電回路３０へのサージ電圧の回り込みを防止し、スイッチング素子（トランジスタ）４２等の電源回路部品をサージ電圧から保護するために機能する。この実施形態では、上記のようにフラッシュランプ２８に近い開閉器１００およびサージ吸収素子１０２がサージ電圧を速やかに吸収するので、ダイオード１０４が受けるサージ電圧の逆バイアスはかなり緩和される（ダイオード１０４の定格逆電圧より低くなる）。このため、点灯エラー保護回路１８に設けられるダイオード１０４は、大型・大容量の高耐圧ダイオードであれば通常は１個で済み、複数個設ける場合でも２個で十分である。見方を変えれば、主点灯回路３０のスイッチング素子４２に高逆耐圧トランジスタあるいは保護用ダイオード付きのトランジスタ等を用いる場合は、ダイオード１０４を省くことも可能である。

シマー回路１５においても、点灯エラー時にはフラッシュランプ２８の向こう側で点灯エラー保護回路１８がサージ電圧を速やかに吸収するので、シマー回路１５の出力段に設ける保護回路の負担が小さくて済む。このため、該保護回路に用いる高耐圧ダイオードの数を可及的に少なくすることができる。

上記のように、この実施形態においては、点灯開始で点灯エラーが生じた際にフラッシュランプ２８で発生するサージ電圧を点灯エラー保護回路１８が速やかに吸収するので、主点灯回路３０およびシマー回路１５をサージ電圧から同時に保護することができる。さらに、主点灯回路３０においては、フラッシュランプ２８との間に設ける保護回路用のダイオードの数を可及的に少なくし、あるいは省くことが可能となるので、主点灯回路３０よりフラッシュランプ２８にランプ電流Ｉ_Rを供給する際の電圧降下ないし電力損失を大幅に低減し、レーザ発振効率を向上させることができる。また、シマー回路１５においては、出力段に設ける保護回路の負担が軽減されるので、たとえば保護回路に用いるダイオードの数を可及的に少なくすることができる。これにより、装置性能、信頼性を向上させると同時に低コスト化を実現することができる。

また、この実施形態においては、点灯エラー保護回路１８の開閉器１００を電磁接触器で構成し、これをバリスタやアレスタ等のサージ吸収素子１０２と組み合わせることにより、フラッシュランプ２８からのサージ電圧に対する吸収作用の高速応答性と多数回のサージに対する高い耐久性とを上手に両立させることが可能であり、装置性能、信頼性および低コスト化の一層の向上を達成することができる。

また、この実施形態のＹＡＧレーザ加工装置においては、ＹＡＧロッド２２およびフラッシュランプ２８を冷却水に晒して収容するチャンバ１０の中にトリガ電極を設けずに、フラッシュランプ２８を電極間トリガ方式により点灯させることができるので、チャンバ１０内部におけるトリガ電極からの漏電を解消することができる。また、チャンバ１０の材質にステンレスやアルミニウム等の金属（導体）を使えるので、チャンバ１０の機械加工や付属部品の加工、取付け、組立て等を簡単かつ高精度に行える。このことにより、フラッシュランプ２８に対するトリガ機構や冷却機構においても、装置性能、信頼性、安全性を保ちつつ簡易化と低コスト化を実現することができる。

［他の実施形態又は変形例］

上記の実施形態において、点灯エラー保護回路１８の各部、特に開閉器１００およびサージ吸収素子１０２の数は１つに限定されず、複数個設けることも可能である。たとえば、導通開始電圧ＳＶの比較的低い複数個のサージ吸収素子１０２を用意し、スイッチ回路網を介して、いずれか１個のサージ吸収素子１０２を開閉器１００に接続し、あるいは直列接続の複数の吸収素子１０２を開閉器１００に接続する構成も可能である。かかる構成においては、たとえば、トリガパルスＴＰの電圧値（尖頭値）の変更調整に合わせて、使用するサージ吸収素子１０２の個数または接続形態を選択することができる。

本発明は、上記実施形態におけるようなＹＡＧレーザ加工装置に限定されず、任意の固体レーザ装置に適用可能である。

１０チャンバ
１２レーザ発振部
１４レーザ励起部
１５シマー回路
１６トリガ回路
１８点灯エラー保護回路
２０制御部
２２ＹＡＧロッド
２８フラッシュランプ
３０主点灯回路
１００開閉器
１０２サージ吸収素子
１０４ダイオード

Claims

固体レーザ媒体を有するレーザ発振部と、
前記固体レーザ媒体に励起光を照射するための電極間トリガ方式のフラッシュランプを有する励起部と、
前記固体レーザ媒体と前記フラッシュランプとを対置して収容するチャンバと、
前記フラッシュランプの点灯を開始するために前記フラッシュランプの一対の電極間に高電圧パルスを印加するトリガ回路と、
前記フラッシュランプに待機用の予備放電電流を供給するシマー回路と、
待機中の前記フラッシュランプに主点灯用の駆動電流を供給する主点灯回路と、
前記主点灯回路と前記フラッシュランプとの間に接続され、前記主点灯回路から前記フラッシュランプに供給されるべき前記駆動電流を通し、点灯エラー時に前記フラッシュランプで発生するサージ電圧を吸収する点灯エラー保護回路と
を具備し、
前記点灯エラー保護回路は、前記主点灯回路と前記フラッシュランプとの間で前記フラッシュランプと直列に接続され、点灯開始前は開状態を保ち、点灯開始後に開状態から閉状態に切り替わる開閉器と、前記主点灯回路と前記開閉器との間で前記主点灯回路側から見て前記フラッシュランプと並列に接続され、所定の導通開始電圧以上の電圧を印加されると導通するサージ吸収素子とを有し、
前記導通開始電圧は、前記フラッシュランプからの前記サージ電圧が前記主点灯回路に回り込まないうちに前記サージ吸収素子が導通するように設定され、
前記主点灯回路と点灯エラー保護回路との間にダイオードが順方向の向きで接続され、
前記導通開始電圧は、前記主点灯回路の出力電圧から前記ダイオードの順方向降下電圧を減じた値よりも高い値に設定される、レーザ装置。
前記開閉器は電磁接触器を含む、請求項１に記載のレーザ装置。
前記導通開始電圧は、前記主点灯回路の出力電圧よりも高い値に設定される、請求項１または請求項２に記載のレーザ装置。
前記サージ吸収素子は、アレスタまたはバリスタのいずれかまたは両方を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記チャンバ内で前記固体レーザ媒体および前記フラッシュランプを冷却水に晒して冷却する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
前記チャンバは金属製である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置。