JPH02130981A - 炭酸ガスレーザ発振器の起動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は炭酸ガスレーザ発振器の起動方法の改善に関す
るものである。

〔従来の技術〕

炭酸ガスレーザ発振器はレーザ共振器内にＨｅ。

Ｎ２．ＣＯ２の混合ガスを所定圧力で封入し、これに高
電圧を印加してグロー放電を発生させ、この放電によっ
てＣＯ２分子から放出される光を光共振器によって増幅
し、外部に取り出すものである。

この発振に先立ち、共振器内を真空に排気し、その後に
上記混合ガスを所定のガス圧になるまで封入する準備工
程が必要となる。

第３図は高゛速軸流形と呼ばれる方式の炭酸ガスレーザ
発振器の構造を模式的に示した図である。

同図において１および２は放電管８の両端に設けられた
レーザ共振鏡、３ａないし３ｄおよび４ａないし４ｄは
放電管８内に設けれられた陽極および陰極でありそれぞ
れ高圧直流電源に接続される。

５は両電極間に発生するグロー放電、６は放電管８より
レーザ共振鏡１によって外部に取り出されたレーザ光、
７は放電管８内にガスを循環させるためのブロワ、９ａ
は放電によって温度上昇したガスの熱を除去し、また９
ｂはブロワ７の圧縮熱によって温度上昇したガスの熱を
除去するための熱交換器である。また１ｏはガス通路、
１１はガス供給口であり、通常絞り弁１１ａと開閉弁１
１ｂとから構成されている。１２は発振器内を排気する
ための真空ポンプであり、絞り弁１３ａおよび開閉弁１
３ｂからなるガス排気口１３を介してガス通路の途中に
接続されている。なお図中→印はガス流の方向を示して
いる。

第３図の装置は、レーザの発振に先立って起動準備工程
が必要である。通常この準備工程は、発振器内の排気、
ガス供給、ガス置換待ち等の一連のシーケンスが用意さ
れている。第４図に従来がら行なわれている準備シーケ
ンスの例を示す。同図において、（ａ）は真空ポンプ１
２および開閉弁１３ｂの起動・停止状況を示し、（ｂ）
はガス供給開閉弁１１ｂおよびガス循環用ブロワ７の動
作・停止状況を示している。また（ｃ）は放電管８内の
圧力変化、（ｄ）は電極間への高電圧印加の状況を示し
ている。まず始業時の時刻ｔ−ｔｌにおいて装置の電源
スィッチが投入されたとする。

電源の投入によって真空ポンプ１２が運転を開始すると
ともに真空排気用の開閉弁１３ｂが開き、発振器内の残
留ガスの排気を開始する。排気の進行によって発振器内
の圧力が次第に低下し、設定圧力Ｐ１にまで低下したと
きにガス供給開閉弁１１ｂを開くとともに循環用ブロワ
７の駆動が開始される。この排気工程においては、通常
圧力低下速度は内部圧力が低下するほど遅くなり、圧力
変化が少なくなるので、所定の真空度ＰＩに達したこと
をセンサによって検出しようとすると長時間の排気を要
するのみでなく、圧力変化が徐々に行なわれるために感
知圧力に大きなバラツキが生じる。そこで、一般には所
定の真空度よりもやや高い圧力でセンサが安定に検出し
得る程度の圧力Ｐ２に達した後にタイマーによって一定
時間さらに排気を続行し、所定の真空度に達したとみな
して次のガス供給工程に移行する方式を採用している。

第４図では上記のセンサの応動時点を時刻ｔ２とし、そ
れからタイマーの時限ＴＩの間真空排気を継続する様子
を示しである。タイマーの次元Ｔ１が経過した後に真空
排気はそのまま作動させた状態でガス供給用開閉弁１１
ｂを開き、レーザ発振用混合ガスの供給を開始する。こ
のガス供給量と排気量との差によって発振器内部圧力は
次第に上昇する。通常このガス供給量と排気量とは内部
圧力が設定値ｐ４（例えば４０Ｔｏｒｒ程度）の附近に
達したときに平衡するように各絞り弁１１ａおよび１３
ａが調整されている。このために内部圧力の上昇速度は
設定圧力に近づくほどゆるやかとなる。

このために内部圧力が設定値Ｐ４に達したことを検出す
ることは、先の真空排気の場合と同様にバラツキが多く
、実用的でないので、比較的圧カ丘昇速度が急な、若干
低目の圧力Ｐ３に達したことを検出し、これから後に圧
力がさらに上昇してがつ、発振器内がほぼ完全に新しい
作動ガスに置換されるであろうと予測されるまでの時間
をタイマ−によって設定し、このタイマーの時限終了に
よって準備完了とする方式が採用されている。第４図に
おいてはガス供給によって圧力がＰ３まで上昇したこと
をセンサによって検出した時点を時刻ｔ３で示し、その
後のガス置換完了までの待ち時間をＴ２で示しである。

この待ち時間終了後の時刻ｔ−ｔ４以降がレーザ発振可
能となる。この状態で電極間に高電圧を印加すると放電
管８内にグロー放電が発生し、直ちにレーザ発振が開始
される。したがって時刻ｔ−ｔ４以後は、加工の手順に
従って高電圧を０Ｎ−ＯＦＦするかまたはシャッタ等に
よって光学的にレーザ光を０Ｎ−ＯＦＦすることによっ
て、レーザ発振の制御が行なわれることになる。

次に一連の作業が終了し、発振器を休止させるときには
、第３図の時刻ｔ　−ｔ　１１において、先ず高電圧の
遮断（実際には高電圧の遮断はこれに先立って行なわれ
ていることもある）、ガス供給の停止、ブロワ−の停止
が行なわれ、その後漸時の間真空排気を行ってレーザ発
振中に発生した不良ガスの排気を行った後に時刻ｔ　−
ｔ　１２にて排気弁を閉じ、真空ポンプを停止させる。

このようにして−度停止した後は、再起動に際しては再
び先の時刻ｔ■１１からｔ４に至る準備シーケンスを第
３図の時刻ｔ　−ｔ　２１ないしｔ２４に示すようにく
りかえす。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の技術においては、長時間休止後の再起動時と
、昼休みや、段取り替えなどのために短時間休止した後
の再起動時との区別がなく、常に同じ準備シーケンスを
実行することになる。しかるに前述のような準備シーケ
ンスは発振器内の圧力が略大気圧近くまで上昇している
可能性のある始業時における起動を安全に行うことを目
的としているために、真空排気待時間ＴＩ、ガス置換待
時間Ｔ２ともに非常に長く設定しておくことが必要とな
る。発明者等の実験によるとＴｌ≧３分。

Ｔ２≧５分であった。またガスの供給を開始しても真空
排気は続行しているために、ガス供給による圧力上昇の
速度が遅く、ガス供給開始（タイマーＴＩの終了後）か
ら圧力上昇確認（時刻１−１３）までの時間が長く（２
〜３分程程度かかっている。このために−旦体止させる
と再起動のためにはこれらの各所要時間の和（時刻ｔ−
ｔｌからｔ４までの時間）が待ち時間として必要となり
、前述の発明者等の実測によると１０分以上の準備時間
が必要となった。このために、これらの準備時間は全く
のロス時間となるので、短時間の休止に際しては高圧電
源のみを停止し、他の装置は常に発振可能状態に保って
おく必要があった。この結果、高価なレーザガスやブロ
ワや真空ポンプを駆動するための電力に大きな損失が発
生し、結果的にレーザによる加工単価を高いものにして
いた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、前述の準備シーケンスを検討した結果、長時
間休止後の起動時（以後この起動をコールドスタートと
いう。）は、真空リークによりレーザガス以外の空気、
水分等の混入が考えられるために充分な排気とそれに続
くガス置換待ち時間の設定による発振器内の浄化過程を
省略することはできないが、−ａこのような十分な浄化
過程を経て発振器を運転した後は、休止時間が短かけれ
ばその一部を省略して十分使用に耐えることを見出し、
休止時間が短かく、他のガスの混入がほとんどないと考
えられるとき（以後このような起動をホットスタートと
いう。）には、少なくともガス置換待ちの工程を省略し
た短縮シーケンスを実行して準備完了とみなすものであ
る。そらにまた本発明の方法においては、上記に加えて
、起動時に真空排気後のガス供給開始に際して、−旦真
空排気を停止し、ガスの供給によって発振器内のガス圧
力が設定値にまで上昇した後に真空排気を再開するもの
である。

〔作用〕

本発明は、上記のようにすることによって、休止時間が
短かくてホットスタートとみなせるときには、再起動時
の準備シーケンスの一部を省略し、またシーケンスの一
部を変更することによって再起動に要する準備時間を極
力短縮するものである。

〔実施例〕

第１図に本発明を実施するときの準備シーケンスの例を
示す。同図において、（ａ）は真空ポンプ１２の動作・
停止状況を示し、（ｂ）はガス供給開閉弁１１ｂおよび
ガス循環用ブロワ７の動作・停止状況を示している。（
Ｃ）は真空ポンプ１２と発振器との間に設けられた開閉
弁１３ｂの開閉状況を示し、（ｄ）は放電管内８の圧力
変化を示し、（ｅ）は電極間への高電圧の印加状況を示
している。

同図において、まず長時間休止後、例えば前日の作業終
了により停止し、翌日の始業時に起動する場合、時刻ｔ
−ｔｌにおいて装置の電源スィッチが投入されたとする
。装置はこの電源投入によってコールドスタートと判断
し、ガス置換待ち工程を含む完全な準備シーケンスを行
なう。このときのシーケンスは第１図の時刻ｔ−ｔｌか
らｔ４に至るシーケンスと同じであり、時刻ｔ−ｔｌに
電源スィッチが投入されると真空ポンプ１２が運転を開
始し、これと連動して真空排気用の開閉弁１３ｂが開い
て発振器内の残留ガスの排出を開始する。排気の進行に
従って発振器内の圧力が低下してゆき、設定圧力Ｐ２（
前述の従来技術と同様に目標の圧力ＰＩよりも若干高く
、圧力センサからその圧力変化を確実に検出できる程度
の圧力に設定しておく。）に達したことが検出された時
刻ｔ−ｔ２からタイマーにて設定されたＴＩの一定時間
排気を続行する。タイマーの時限ＴＩの後にガス供給弁
ｆｌｂを開いてレーザ作動用ガスの供給を開始すると同
時に真空排気用開閉弁１３ｂを閉じて排気を中断する。

排気が中断されることによって発振器内の圧力は直線的
に上昇する。そのためレーザ発振に必要な圧力Ｐ４に達
したときも圧力変化が急であるので圧力センサによる検
出が確実に行える。時刻ｔ−ｔ３において設定圧力（レ
ーザ発振に必要な圧力）Ｐ４に達したときに再度真空排
気用の開閉弁１３ｂを開き、排気を開始する。排気の再
開後はガスの供給と排気とが同時に行なわれ、さらに残
留している可能性のある空気等とレーザガスとが完全に
置換されるまでの間はタイマーによりて設定された時限
Ｔ２によって準備完了が遅延され、時刻ｔ−ｔ４に至っ
てレーザ発振準備完了となり、以後高電圧を放電管８の
電極間に印加することによってレーザが発振する。

時刻ｔ　−ｔ　ｔｉにおいて一連の作業が終了して、レ
ーザ発振を一時休止するときは、高電圧を時刻ｔ−ｔ　
１１に遮断した後、時刻ｔ　−ｔ　１２においてブロワ
およびガスの供給を停止し、さらにレーザ発振中に発生
した不純ガスを排出するために漸時の間排気を続行し、
時刻ｔ　−ｔ　ｔｓにおいて真空排気用の開閉弁１３ｂ
を閉じ、また真空ポンプ１２も停止する。この結果発振
器内は時刻ｔ　−ｔ　１２からｔｉ３に至る間に相当す
る分だけ低下した状態となる。

またこのときに電源スィッチを開放しなければガス供給
停止の時刻ｔ　−ｔ　１２または真空排気用の開閉弁を
閉じた時刻ｔ　−ｔ　１３から時間の計数を開始する。

　次に時刻ｔ　−ｔ　２１において、レーザ発振を再開
すべく準備シーケンスを起動したとする。

このとき、先の発振停止の時刻ｔ　−ｔ　１２　（また
はｔ　−ｔ　１３）から時刻ｔ　−ｔ　２１までの経過
時間、即ち休止時間が設定時間Ｔ３よりも長くなると、
この休止時間中に真空リークが生じて空気などの不純ガ
スが発振器内に混入している可能性があるので、電源投
入時と同様にコールドスタートと判断し、先の時刻１−
１１からｔ４に至るシーケンスと同じ準備シーケンスを
行う。

一方、休止時間が設定時間Ｔ３よりも短がいときには、
未だ真空リークはほとんどなく、発振器内は良好な状態
に保たれているとみなし、ホットスタート用の準備シー
ケンスを行う。このホットスタート用の準備シーケンス
は第１図の時刻１−ｔ２１からｔ２４１↓至るシーケン
スであり、ガス供給（ｔ　２１）−圧力上昇検出（ｔ　
２４）によって準備完了とするものである。したがって
先の電源投入時のコールドスタートにくらべて真空排気
工程（ｔ１〜ｔ２の量子時限Ｔｌ）およびガス置換待ち
工程（Ｔ２）が省略されており、再起動の準備のために
は単にガス供給工程のみである。さらにこのガス供給工
程において、コールドスタート時と同様に真空排気は停
止されているので、ガス供給工程が極く短時間、発明者
の実測によると１〜２分程程度完了することになる。

なお、第１図においては、休止期間（時刻ｔ１３〜ｔ２
１の期間）は真空排気を中断したが、これは継続して排
気してよい。この場合には、休止期間が相当長くても発
振器内への不純ガスの混入は少ないのでホットスタート
用の省略準備シーケンスを行うことが可能となる。第２
図はこのようにした起動準備シーケンスの例を示すもの
であり、真空排気をガス供給開始から圧力上昇確認まで
の間のみ中断し、他の期間は継続して行うようにしたも
のであり、同図（ａ）ないしくｅ）はそれぞれ第１図（
ａ）ないしくｅ）にそれぞれ相当する。

また第１図および第２図においては、いずれもガス供給
開始から圧力上昇確認までの間、真空排気を中断してい
るが、この間も真空排気を行うようにしてもよく、この
場合にはガス供給開始から圧力上昇確認までの時間が若
干長くなるが、この間はガス供給と排気とを同時に行う
ことによってガス置換作用があるので発振器内のガスの
汚れが改善されることが期待できる。この場合において
もホットスタート時にはガス圧力の上昇確認と同時に準
備完了としてよく、従来技術のようにガス置換待ち時間
を省略したシーケンスを実行することになる。

なお、上記の各説明においては、電源投入後の再起動に
おいて、ホットスタートとコールドスタートとの判断を
前回の発振停止からの経過時間によって判定したが、発
振器内のガス温度の低下状況をその判定基準としてもよ
い。この場合は、発振によって上昇したガス温度が未だ
一定値以上であればホットスタートとし、一定量下に低
下していればコールドスタートと判定するように構成し
ておけばよい。

〔発明の効果〕

本発明は、−度発振した後の再起動においては不要な準
備シーケンスを省略するようにしたので、再起動がコー
ルドスタート時の起動準備時間の数分の１以下の短時間
で実施できることになり、短時間の作業中断時にも気軽
に停止させることができる。この結果待ち時間の短縮に
よって装置の実効稼動率が向上し、また発振・停止を簡
単に実施できるので、連続して発振可能状態を保つよう
にしていた従来の起動方法にくらべてガス消費量、電力
消費量ともに大幅に低減されてランニングコストの改善
が実現するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の方法を実施するときの準
備シーケンスの例を示す線図、第３図は本発明の対象と
なる炭酸ガスレーザ発振器の構造を示す模式図、第４図
は従来の準備シーケンスの例を示す線図である。 １．２・・・・・・レーザ共振鏡、３ａ〜３ｄ、４ａ〜
４ｄ・・・・・・電極、６・・・・・・レーザ光、７・
・・・・・ブロワ、８・・・・・・放電管、９ａ、９ｂ
・・・・・・熱交換器、ｌｌａ・・・・・・ガス絞り弁
、ｌｌｂ・・・・・・ガス供給弁、１２・・・・・・真
空ポンプ、１３ａ・・・・・・真空排気用絞り弁、１３
ｂ・・・・・・真空排気用開閉弁

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．電源投入時または発振停止により作動ガスの供給を
   停止した後から一定時間以上経過したときまたは発振器
   内のガス温度が設定値以下であるときはコールドスター
   トと判断し、レーザ発振の起動に先立ち発振器内の真空
   排気工程、ガス供給工程および発振器内ガス置換待ち工
   程からなる準備シーケンスを実行し、第２回目以降の起
   動時であって前回の発振停止によりガス供給を停止した
   時から一定時間以内であるときまたは発振器内のガス温
   度が一定温度以上であるときはホットスタートと判断し
   、発振再開に先立ち、前記コールドスタート時の準備シ
   ーケンスのうち少なくともガス置換待ち工程を省略した
   ホットスタート用の短縮準備シーケンスを実行して発振
   準備完了とする炭酸ガスレーザ発振器の起動方法。
2. ２．電源投入時にはコールドスタートと判断しレーザ発
   振の起動に先立ち発振器内の真空排気工程、ガス供給工
   程および発振器内ガス置換待ち工程からなる準備シーケ
   ンスを実行し、以後前記真空排気をレーザの発振の有無
   にかかわらず継続して行ない、第２回目以降の発振起動
   に先立っては前記コールドスタート時の準備シーケンス
   のうち少なくとも真空排気工程およびガス置換待ち工程
   を省略したホットスタート用の短縮準備シーケンスを実
   行して準備完了とする炭酸ガスレーザ発振器の起動方法
   。
3. ３．前記コールドスタート時およびホットスタート時の
   各準備シーケンスにおいて、前記ガス供給工程をガス供
   給開始時には一旦真空排気を中断し、一定時間経過後ま
   たはガスの供給によって発振器内の圧力が所定値に達し
   た後に前記真空排気を再開する工程とした請求項第１項
   または第２項に記載の炭酸ガスレーザ発振器の起動方法
   。