JPH02308586A - 気体レーザ発振装置 - 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〕 本発明は加工用の高出力気体レーザ発振装置に係り、特
に加工中におけるレーザガス圧力の変動等を防止するし
・−ザガス圧力制御装置を有する気体レーザ発振装置に
関する。

〔従来の技術〕

最近の気体レーザ発振装置は高出力が得られ、レーザビ
ームの質もよく、金属又は非金属材料等の切断及び金属
材料等の溶接等といったレーザ加工に広く利用されるよ
うになってきている。特に、ＣＮＣ（数値制御装置）と
結合したＣＮＣレーザ加工機として、複雑な形状を高速
かつ高精度で切断する分野において急速に発展しつつあ
る。

以下図面を用いて従来の気体レーザ発振装置を説明する
。

第４図は従来技術による気体レーザ発振装置の全体構成
を示す図である。放電管１の内部には適量のレーザガス
が封入されている。放電管ｌの両端には全反射鏡５及び
出力結合鏡６の光学部品によって構成される光共振器が
設置されている。放電管１の外周上には金属電極２及び
３が取り付けられている。金属電極３は接地され、金属
電極２は高周波電源４に接続されている。金属電極２及
び３の間には高周波電源４から高周波電圧が印加される
。これによって、放電管１内に高周波グロー放電が発生
し、レーザ励起が行われる。

このような気体（Ｃ０２）レーザ発振装置のような高出
力のレーザ発振装置ではレーザガスを送風機９で強制的
に循環させて冷却している。なぜなら、気体ガスレーザ
では注入電気エネルギーの約２０％がレーザ光に変換さ
れ、他はガス加熱に消費される。ところが理論によれば
レーザ発振利得は絶対温度Ｔの−（３／２）乗に比例す
るので発振効率を上昇させるためにはレーザガスを強制
的に冷却してやる必要がある。

本装置ではレーザガスは約２００ｍ／ｓｅｅの流速で放
電管１内を通過し矢印で示す方向に流れ、冷却用の熱交
換器７に導かれる。熱交換器７は主として放電による加
熱エネルギーをレーザガスから除去する。そして、送風
機９は冷却されたレーザガスを圧縮する。圧縮されたレ
ーザガスは熱交換器８を介して放電管１に導かれる。こ
れは、送風機９で発生した圧縮熱を放電管１に再度導か
れる前に熱交換器８で除去するためである。これらの熱
交換器７及び８は周知であるので詳細な説明は省略する
。

この気体レーザ発振装置を起動する時には先ず最初に真
空ポンプｌＯによって装置内部全体の気体を排気する。

ついで、適量のコンダクタンスを有するニードルバルブ
１３を通じて所定流量のレーザガスがレーザガスボンベ
１４から系内に導入され、装置内のガス圧は規定値に達
する。その後は真空ポンプ１０による排気と、ニードル
バルブ１３による補給ガス導入とが続き、装置内ガス圧
は規定値に保たれたまま、レーザガスの一部は継続して
新鮮ガスに置換される。これによって装置内のガス汚染
も同時に防止される。

数値制御装置２０は気体レーザ発振装置の出力制御及び
レーザ加工機のテーブル移動等を制御するものである。

本図においては、レーザ加工機側のテーブル、サーボア
ンプ、サーボモータ等は省略して示しである。

数値制御装置（ＣＮＣ装置）２０による放電管１内のレ
ーザガスの圧力制御は次のように行われる。圧力センサ
１２は放電管１内のガス圧力を検出し、それを電圧信号
に変換して数値制御装置２０内のＡ／Ｄ変換器２１に出
力する。

Ａ／Ｄ変換器２１は圧力センサ１２からのアナログ電圧
をデジタル信号に変換して、ガス圧力制御手段２２に出
力する。ガス圧力制御手段２２はガス圧力設定手段２５
に設定値と、Ａ／Ｄ変換器２１のデジタル信号の値とを
比較し、その偏差が零になるようなデジタルの制御信号
をＤ／Ａ変換器２３に出力する。ガス圧力設定手段２５
には予め放電管１の適性圧力値が不揮発性メモリ等に記
憶されている。

Ｄ／Ａ変換器２３はガス圧力制御手段からの制御信号を
アナログ値に変換し、バリアプルリークバルブ１１のド
ライバ２４に出力する。ドライバ２４はＤ／Ａ変換器２
３の出力に応じてバリアプルリークバルブ１１を駆動し
、そのコンダクタンスを制御する。

〔発明が解決しようとする課題〕

第４図に示す従来の気体レーザ発振装置では以下のよう
な課題がある。

上述のような数値制御装置２０によるレーザガス圧力の
制御系は、レーザ発振装置のレーザ発振動作が定常状態
の場合には十分な制御特性を与えることができる。とこ
ろが、実際にレーザ加工を行う時は、レーザ発振装置の
放電のオン、オフを頻繁に行ったり、放電電流値を変化
させたりしている。故に、このようなレーザ加工時にお
ける放電状態の変化の直後に一定の過渡応答が存在する
。

これは放電管１内のレーザガスの粘性がガス温度上昇時
に低下することによって、放電管１内を流れるレーザガ
ス流に対するコンダクタンスが放電管１内のガス温度の
関数として変化することに起因する。

この関係を第５図を用いて説明する。第５図は放電人力
が０％及び１００％の時の送風機９の出入り口における
圧縮比とガス流量との関係を示す図である。通常の気体
レーザ発振装置のガスー巡経路内では放電管１が最大の
ガス流抵抗を有するように設計されているので、第５図
の圧縮比は放電管１についての圧縮比と考えてもよい。

本図は送風機９にルーツブロワを使用した場合の特性を
示しているので、実際にガス滝壷は不変であり、放電の
有無（０％又は１００％放電）によって圧縮比のみが変
化する。この変化はガス温度に依存するため、数ｍ　ｓ
　ｅ　ｃ程度と非常に小さい時定数で発生する。従って
、レーザ出力の制御の際に放電状態が制御されると、圧
縮比も第５図のように点へと点Ｂとの間で変化する。

簡単のために、放電が単にオン、オフを繰り返したと仮
定する。そのときの圧力センサ１２の変化のようすを第
６図に示す。第６図は放電状態の変化による圧力センサ
１２の出力を示す図である。

図において、横軸は時間、縦軸は圧力センサ１２の出力
であるレーザガス圧力を示す。尚、本明細書中において
、放電オフとは予備放電状態、即ち、レーデ発振が生じ
ない範囲の放電のことを意味し、第５図の０％放電とは
異なる意味で用いる。

第６図から明らかなように放電のオン及びオフの瞬間に
それぞれ正及び負方向に圧力スパイクが発生する。即ち
、無放電時（放電オフ時）にレーザガス圧力は一定値に
あり、放電オンになると同時に放電管１の両端における
圧縮比が増大する。

従って、圧力センサ１２におけるガス圧力は低圧側であ
るため、ガス圧力が低下する。圧力センサＩ２の測定値
が指定値からずれると、数値制御装置２０のガス圧力制
御手段２２の働きによって、やがて放電管１内のガス圧
力は所定の値に落ち着く。従って、放電オフから放電オ
ンに変化する瞬間に負方向のスパイクが発生する。これ
とは逆の現象によって、放電オンから放電オフに変化す
る瞬間に、正方向のスパイクが発生する。

そして、この正及び負方向のスパイクは放電の大きさに
依存するため、第６図のように強い放電のときには、か
なりの大きさのスパイクが発生する。

正方向のスパイク（放電オンから放電オフに変化する時
に発生するスパイク）は、予備放電を消してしまうとい
う問題を有する。また、負方向のスパイク（放電オフか
ら放電オンに変化する時に発生するスパイク）は、レー
ザ出力に直接現れるため、レーザ加工の精度に影響を与
えるという問題がある。即ち、このスパイクの減少時定
数はガス圧力制御手段２２の特性によって決まる値（１
〜１０秒）であるため、レーザ加工機のレーザ切断速度
が５ｍ／ｍｉｎで行われている場合には、約１０ｃｍも
の領域にわたってスパイクの影響を受けることになる。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、放
電オン又はオフの直後に発生するガス圧力制御手段の過
渡応答に起因するスパイクの発生を防止し、レーザ発振
特性に過渡変動のない気体レーザ発振装置を提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では上記課題を解決するために、気体放電によっ
てレーザ励起させる放電管と、前記気体放電を発生させ
るための電力を供給する電源と、レーザ発振を行わせる
光共振器と、送風機及び熱交換器によってレーザガスを
強制的に冷却させるガス循環装置と、前記放電管内のガ
ス圧力を検出し、所定の設定値に制御する制御装置とか
ら構成されるレーザ発振装置において、前記制御装置は
前記気体放電の放電電流の値に応じて前記設定値を変化
させ、前記ガス圧力の制御を行うことを特徴とする気体
レーザ発振装置が、提供される。

〔作用〕

第２図はガス圧力制御を行わない場合の気体放電の放電
電流と、放電管内のガス圧力との関係を示す図である。

本図から明らかなように放電電流の増大に伴って放電管
内のガス圧力は単調に減少する関係にある。この関係は
、放電電流によってレーザガスの温度が決まり、この温
度によって放電管内のガス粘性が決まり、さらにこの粘
性によって放電管内を流れるガス流のコンダクタンスが
決まるために生じる。

従って、放電電流の値に応じてガス圧力制御時の設定値
を変化してやれば、ガス圧力制御はこの設定値を制御目
標値として実行される。その際、放電管内のガス圧力は
低下したままではあるが、一定の放電電流に対してはガ
ス圧力は一定であり変化しないので、レーザ加工時の精
度誤差のない、高精度のレーザ加工を行うことができる
。また、これによってガス圧力にスパイクが発生しない
ので、予備放電が切れるといった不都合も生じなくなる
。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図に本発明のレーザ発振装置の一実施例の構成図を
示す。第４図と同一の構成要素には同一の符合が付しで
あるので、その説明は省略する。

本実施例が従来のものと本質的に異なる点は、高周波電
源４から放電電流の値を数値制御装置２０のガス圧力設
定手段２５に与え、ガス圧力設定手段２５は第２図のよ
うな放電電流によって決まるガス圧力の値を新たな制御
目標値としてガス圧力制御手段２２に出力し１、ガス圧
力制御手段２２はこのガス圧力設定手段２５の出力に応
じて放電管内のガス圧力を制御する点である。

第２図に示すような放電電流とガス圧力との関係は、放
電管、送風経路、送風機の構造、レーザガスの組成及び
レーザガス圧力等の諸刃子に依存するため、レーザ発振
装置固有の値を実験的に求め、ガス圧力設定手段２５内
の不揮発性メモリ等に予め記憶させておけばよい。

第３図は本実施例を採用した場合の放電状態の変化によ
る圧力センサ１２の出力を示す図である。

本図は従来の状態を示した第６図と対応するものである
。本図から明らかなように、放電オフの間は数値制御装
置２０のガス圧力制御系によって、放電管ｌ内のガス圧
力が放電オフ時、即ち予備放電時の放電電流に対応した
圧力レベルになるように制御される。一方、放電オンの
間はその放電電流の値に応じた圧力制御目標値に基づい
て圧力制御が行われるので、放電管１内のガス圧力は放
電オフ時圧力レベルより低く、かつ、放電電流の大きさ
に応じた圧力レベルに設定される。

また、放電電流が連続的に変化する場合でも、ガス圧力
はその放電電流値の変化゛に応じて変化するが、第６図
のような圧力スパイクは発生することはない。

尚、本実施例の場合、ガス圧力が一定ではなく放電電流
の関数として変化し、レーザ出力自体に影響を与えるよ
うに見えるが、レーザ出力と放電電流とは一対一に対応
するため、レーザ出力制御上は何ら問題はない。

上述の実施例ではガス圧力を常に放電電流の値に応じて
制御する場合について説明したが、実際のレーザ加工時
には第３図のように放電オンと放電オフとの状態はパル
ス的に変化する場合が多く、それが連続的に変化する場
合は非常に少ない。そこで、放電オフの間は放電オフ時
の所定圧力値になるようにガス圧力を制御し、放電オン
の間だけ放電電流の値に応じた圧力制御目標値になるよ
うにガス圧力を制御する。即ち、放電オフの間は固定さ
れた制御目標値で制御を行い、放電オンの間は放電電流
に依存した制御目標値で制御を行い、その切替え制御を
高周波電源４の指令に基づいて制御するものである。こ
の場合も上記実施例と同様の制御が可能となる。

本実施例によれば、放電オン時におけるガス圧力は放電
の強弱に応じてそれぞれ異なったガス圧力の低下を示す
が、一定の放電電流に対してはガス圧力は一定であり変
化しないので、レーザ加工時の精度誤差のない、高精度
のレーザ加工を行うことができる。また、ガス圧力にス
パイクが発生しないので、予備放電が切れるといった不
都合も生じなくなる。

〔発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、放電オン又はオフ
の直後に発生していたガス圧力のスパイクを防止し、レ
ーザ発振特性に過渡変動のない気体レーザ発振装置を提
供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザ発振装置の一実施例の構成図、 第２図はガス圧力制御を行わない場合の気体放電の放電
電流と、放電管内のガス圧力との関係を示す図、 第３図は本発明における放電状態の変化による圧力セン
サの出力波形を示す図、 第４図は従来技術による気体レーザ発振装置の全体構成
を示す図、 第５図は放電人力が０％及び１００％の時の送風機の出
入り口における圧縮比とガス流量との関係を示す図、 第６図は従来技術における放電状態の変化による圧力セ
ンサの出力波形を示す図である。 ■　　　　放電管 ２．３　　　　電極 ４　　　　高周波電源 ５　　　　全反射鏡 ６　　　　出力結合鏡 ７．８　　　　熱交換器 ９　　　　送風機 １０　　　　真空ポンプ １１　　　°バリアプルリークバルブ １２　　　　圧力センサ １３　　　　ニードルバルブ １４　　　　ガスボンベ ２０　　　　数値制御装置 ２１　　　　Ａ／Ｄ変換器 ２２　　　　ガス圧力制御手段 ２３−−−Ｄ　／　Ａ変換器 ２４　　　　　ドライバ ２５　　　　ガス圧力設定手段 特許出願人　ファナック株式会社 代理人　　　弁理士　　服部毅巖 第２図 第３図 第５図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）気体放電によってレーザ励起させる放電管と、前
   記気体放電を発生させるための電力を供給する電源と、
   レーザ発振を行わせる光共振器と、送風機及び熱交換器
   によってレーザガスを強制的に冷却させるガス循環装置
   と、前記放電管内のガス圧力を検出し、所定の設定値に
   制御する制御装置とから構成されるレーザ発振装置にお
   いて、前記制御装置は前記気体放電の放電電流の値に応
   じて前記設定値を変化させ、前記ガス圧力の制御を行う
   ことを特徴とする気体レーザ発振装置。
2. （２）前記制御装置は前記気体放電が生じていない間は
   固定された前記設定値に基づいて前記ガス圧力の制御を
   実行し、前記放電が生じている間だけ前記放電電流の値
   に応じて変化する前記設定値に基づいて前記ガス圧力の
   制御を行うことを特徴とする気体レーザ発振装置。
3. （３）前記制御装置は前記電源の出力に基づいて前記放
   電電流の値を検出し、前記設定値を変更することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の気体レーザ発振装置
   。
4. （４）前記放電が高周波気体放電によって行われること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の気体レーザ発
   振装置。