JPH0456374A - 炭酸ガスレーザ制御方法およびその装置 - 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、炭酸ガスレーザの制御方法およびその装置に
関し、特に直流励起式および高周波励起式の炭酸ガスレ
ーザにおけるクロス放電の発生を防止するための制御方
法およびその装置に関する。

従来の技術 第２図は従来の一般的な高速軸流型直流励起式炭酸ガス
レーザ発振器の構成を示している。第２図において、ガ
ラスなどの誘電体からなる放電管１．２には、放電電極
３．４か設けられている。

放電電極３，４には、直流高圧電源５．６の出力、例え
ばＤＣ１６ｋＶ、８０ｍＡ程度の電圧が供給されている
。放電管１，２内の放電空間では、矢印Ａ、Ｂ方向に放
電が行われる。

放電管１．２内の放電空間には、リアミラー（全反射鏡
）７と出力ミラー（部分反射鏡）８とが固定配置され、
これらによって光共振器が構成されている。レーザ出力
９は、出力ミラー８から取り出される。

放電管１，２内のレーザガスは、送気管１０を介して循
環しており、放電およびレーサガスを循環させるブロア
（送風機）１１を通って温度上昇したガスは、熱交換器
１２．１３により冷却される。

第３図は第２図に示す炭酸ガスレーザ発振器における放
電管１．２の電気的等価回路を示している。第３図にお
いて、放電管１．２がクロス放電になったことを検出す
る放電電流検出回路１４゜１５には、ＣＴ（カレントト
ランス）またはシャント抵抗等が用いられており、過電
圧検出回路への入力となる放電電圧検出回路１６．１７
には、分圧抵抗等が用いられている。

放電管１の放電電圧をＶｅｌ、放電管２の放電電圧をＶ
ｅｌ、放電管１の等価内部インピーダンスをＺ＋、放電
管２の等価内部インピーダンスを２２、無放電部の両端
電圧をＶ　６１−２、無放電部の等価内部インピーダン
スを２１−２とすると、クロス放電が発生してＶｅｌ〉
Ｖｅｌとなった場合、高圧電源５から無放電部の等価内
部インピーダンスｚ１−２を通して放電管２に過大な放
電電流が流れ込み、場合によっては放電管１が消灯し、
その状態が持続、保持されることがある。

発明が解決しようとする課題 このように、従来の炭酸ガスレーザ発振器では、放電管
が２本、４本あるいは６本などの複数で構成されている
場合、各放電管に印加する高電圧のアース側は、発振器
の筐体を通じて電気的に導通状態にあり、高電圧のプラ
ス側は、各放電管が無放電部で互いに電気的に高インピ
ーダンスである場合には、無放電部のガスを通じて共通
に接続されている。そして、放電電流の高い領域におい
て放電電流のフィードバック制御を行なった場合、放電
電流の変動で無放電部が放電し、一つの放電管が場合に
よっては消灯し、他の放電管に過大な電流が流れ込んで
クロス放電が発生することになる。

クロス放電が発生すると、レーザ出力の変動および低下
、放電管Ｏリングなどの焼損ならびにスイッチング素子
の破壊などが発生する。特にパルスモードで発振させる
場合にＣＷ（連続）モードの２倍などの高い電流を注入
するとこれらの障害の発生頻度が高くなる。

また、ＣＷモードおよびパルスモードとも、放電開始電
圧や制御系のばらつきにより、放電開始電圧の立ち上が
り時間のばらつきが大きい場合も、無放電部の電位差が
大きくなり、どちらか先に放電すると、先に放電した放
電管の電圧が放電維持電圧となり、他の放電管の電圧が
放電開始電圧に達せず、放電しないでクロス放電が発生
することがある。

また、大気開放後、レーザ発振器の真空引きを数回行な
っても、大気中の湿度が高い場合、ガス系路に水分が付
着して、この場合にもクロス放電が発生しやすくなる。

また、真空洩れが発生した場合もクロス放電が発生しや
すくなる。

クロス放電が発生した場合は、直ちに発振を停止させ、
システムを停止させた後、再発振させる必要がある。ま
た、クロス放電が発生したときは非常に危険なので、電
源をオフする必要がある。

二のようなりロス放電は、レーザ加工不良、機械の稼働
率の低下、信頼性の低下などに大きく関係し、その対策
が当技術分野における重要な課題となっていた。

本発明は、このような従来の問題点を解決するものであ
り、クロス放電の発生を防止することのできる直流励起
式または高周波励起式の炭酸ガスレーザ制御方法および
その装置を提供することを１６勺とする。

課題を解決するための手段 本発明は、前記目的を達成するために、各放電管のうち
の一つを基準放電管としてその放電電圧を基準放電電圧
とし、この基準放電電圧と他の放電管の放電電圧とを比
較し、その比較結果に応じて他の放電管における放電電
圧を基準放電電圧と同じ値になるようにフィードバック
制御するようにしたしのである。

本発明はまた、各放電管のうちの一つを基準放電管とし
てその放電電圧を基準放電電圧とし、各放電管において
レーザパワーが一定となるようにフィードバック制御す
る第１の誤差アンプ回路と、各放電管の放電電流または
高周波電力が一定となるようフィードバック制御する第
２の誤差アンプ回路と、各放電管の放電電圧が一定とな
るようにフィードバック制御する第３の誤差アンプ回路
とを備えたものである。

作用 本発明は、前記構成により、他の放電管の放電電圧が基
準放電管の基準放電電圧と同じ値になるので、各放電管
毎のばらつきがなくなって無放電部の電位差がなくなる
ので、クロス放電が発生しなくなる。

また、レーザパワーと放電電流または高周波電力と放電
電圧とを同時にフィードバック制御するので、レーザ加
工不良や稼働率の低下等がなく、信頼性の高い炭酸がス
レーザ制御方法およびその装置を実現することができる
。

実施例 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図は本発明の一実施例における直流励起式炭酸力スレー
サ制御装置の制御ブロックを示している。

第１図において、２１は３相２００ｖの商用電源であり
、２２は整流器、２３は平滑コンデンサ、２４ａ、２４
ｂはパワーＭＯ３−ＦＥＴをフルブリッジ接続したイン
バータ回路、２５ａ、２５ｂは高圧トランス、２６ａ、
２６ｂは整流器、２７ａ、２７ｂは高圧コンデンサ、２
８ａ、２８ｂはレーザ発振器の放電管であり、２８ａが
基準放電管であり、２８ｂが他の放電管である。２９ａ
、ｐ９ｂはＣＴ（カレントトランス）またはシャント抵
抗等の放電電流検出回路であり、３０ａ、３Ｑｂは分圧
抵抗等の放電電圧検出回路である。

また、３１はレーザパワー設定回路、３２はレーザパワ
ー検出回路、３３は第１の誤差アンプ回路、３４ａ、３
４ｂは第２の誤差アンプ回路、３５ａ、３５ｂは放電制
御回路（ＰＷＭ（ｆＭ））、３６ａ、３６ｂはドライバ
回路である。３７は第３の誤差アンプ回路、３８は第４
の誤差アンプ回路である。３９は基準放電管２８ａのた
めの制御ブロック、４０は他の放電管２８ｂのためのｆ
制御ブロックである。

次に前記実施例の動作について説明する。第１図におい
て、商用電源２１からの３相２００Ｖの交流電圧は、整
流器２２で整流された後、平滑コンデンサ２３で平滑さ
れ、平滑された直流電圧は、インバータ回路２４ａ、２
４ｂに供給される。インバータ回路２４ａ、２４ｂは、
高圧トランス２５ａ、２５ｂを駆動し、高圧トランス２
５ａ、　２５ｂの２次電圧は、整流器２６］、　２６ｂ
で整流された後、高圧コンデンサ２７ａ、２７ｂで平滑
される。この平滑された直流高電圧は、放電管２８ａ、
２８ｂに印加され、各放電管２８ａ、２８ｂに流れる放
電電流は、放電電流検出回路２９ａ、２９ｂで検出され
、各放電管２８ａ。

２８ｂの放電電圧は、放電電圧検出回路３０ａ。

３０ｂで検出される。

一方、レーザパワー設定回路３１の出力と、レーザパワ
ーの大きさを検出するレーザパワー検出回路３２との出
力は、第１の誤差アンプ回路３３に入力される。第１の
誤差アンプ回路３３の出力は、それぞれ第２の誤差アン
プ検出回路３４ａ、３４ｂに入力される。

制御ブロック３９においては、第２の誤差アンプ回路３
４ａに、第１の誤差アンプ回路３３の出力と放電電流検
出回路２９ａの出力とが入力されており、その出力は放
電制御回路３５ａに入力される。放電制御回路３５ａの
出力は、ドライバ回路３６ａに入力され、ドライバ回路
３６ａの出力は、インバータ回路２４ａのパワーＭＯ８
−ＦＥ１゛を駆動する。

他方、制御ブロック４０においては、第２の誤差アンプ
３４ｂに、第１の誤差アンプ回路３３の出力と放電電流
検出回路２９ｂの出力とが入力されており、その出力は
、第４の誤差アンプ回路回路３８に入力される。そして
一方の制御ブロック３９の放電電圧検出回路３０ａの出
力（基準放電電圧）と他方の制御ブロック４０の放電電
圧検出回路３０ｂの出力（他の放電電圧）とが第３の誤
差アンプ回路３７に入力されて、その出力と他方の第２
の誤差アンプ回路３４ｂの出力とが第４の誤差アンプ回
路３８に入力される。そして、第４の誤差アンプ回路３
８の出力は、他方の放電制御回路３５ｂに入力され、放
電制御回路３５ｂの出力は、ドライバ回路３６ｂに入力
され、ドライバ回路３６ｂの出力は、インバータ回路２
４ｂに入力されてパワーＭＯ３−ＦＥＴを駆動する。

このようにして、他方の放電管２８ｂの放電電圧が基準
放電管である一方の放電管２８ａの基準放電電圧と同じ
になるようにフィードバック制御され、一方の放電管２
８ａと他方の放電管２８ｂとを連絡する無放電部におけ
る電位差がなくなるので、クロス放電の発生を未然に防
ぐことができる。

第１図は放電管が２本の場合を示しているが、４本の場
合は、基準放電管２８ａを含む一方の制御ブロック３９
の他に、３個の同じ構成の制御ブロック４０が必要にな
り、合計４ブロツクの構成となる。別の構成として、無
放電部を介して対向する２本の放電管同士を対にして制
御プロ、メク３９と４０とを２組みずつ構成するように
してもよい。同様にして放電管を６本構成にしてもよい
。

また、第１の誤差アンプ回路３３、第２の誤差アンプ回
路３４ａ、３４ｂおよび第３の誤差アンプ回路３７のフ
ィードバック制御応答時間をそれぞれｔｌ、　　ｔ２．
　　ｔａとしたとき、これらの時間ｔ１、ｌ、１Ｂを、
放電電圧のフィードバック制御を優先してｔｌ＞　ｔ２
＞　ｔａまたはｌｒ＞　ｔａ＞　１２になるように設定
することにより、フィードバック制御が安定し、レーザ
出力のリップルやダンピングを防止することができる。

また、第４の誤差アンプ回路３８は、フィードバックレ
ベルの突き合わせ用アンプであるが、このアンプ３８の
前段に、放電開始信号が入力されてから一定時間経過後
に動作する遅延回路を設けて、放電電圧のフィードバッ
ク制御を遅れてかけるようにすれば、放電開始電圧の立
ち上がり時間のばらつきを吸収することができ、クロス
放電の発生を確実に防止して、安定した制御を行なうこ
とができる。

また、放電管２８，２８ｂの長さ、直径、ガス媒質の圧
力、混合比（ＣＯ２，Ｈｅ、Ｎ２）を適切な値に設定す
ることにより、放電電圧のフィードバック制御を極めて
有効に行なうことができる。

このように前記実施例によれば、従来のレーザパワーと
放電電流のフィードバック制御に加えて、放電電圧のフ
ィードバック制御を同時に行なうようにしたので、無放
電部の電位差がなくなってクロス放電の発生を確実に防
止することができる。

前記実施例はまた、高速放電電圧フィードバック制御に
、全体として低速放電電流フィードバック制御を行ない
、最終の出力としてのレーザ出力が一定となるように制
御しているので、フィードバック制御が安定し、レーザ
出力のリップルやダンピングを防止することができる。

前記実施例は、本発明を直流励起式の炭酸ガスレーザ制
御装置に適用した例であるが、本発明は、高周波出力を
放電管に注入し、高周波放電によって励起されたガス媒
質からレーザ光を発生させる複数の放電管を備えた高周
波励起式の炭酸ガスレーザ制御方法およびその装置に対
しても同様に適用することができ、同様な作用効果を得
ることができる。この場合、前記実施例における放電管
の「放電電流Ｊは「高周波電力」と読み替え、「放電電
流検出回路」は「高周波電力検出回路」と読み替えるも
のとする。

発明の効果 以上のように、本発明によれば、各放電管のうちの一つ
を基準放電管としてその放電電圧を基準放電電圧とし、
この基準放電電圧と他の放電管の放電電圧とを比較し、
その比較結果に応じて他の放電管における放電電圧を基
準放電電圧と同じ値になるようにフィードバック制御す
るようにしたので、各放電管毎のばらつきがなくなって
無放電部の電位差がなくなるので、クロス放電の発生を
確実に防止することができる。

本発明はまた、レーザパワーと放電電流または高周波電
力と放電電圧とを同時にフィードバック制御するので、
レーザ加工不良や稼働率の低下等がなく、信頼性の高い
炭酸ガスレーザ制御方法およびその装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における直流励起式炭酸ガス
レーザ制御装置の制御ブロック図、第２図は従来の直流
励起式炭酸ガスレーザ発振器の構成を示す概略斜視図、
第３図は第２図に示す装置における放電管の電気的等価
回路を示す図である。 ２１・・・商用電源、２２・・・整流器、２３・・・平
滑コンデンサ、２４ａ、２４ｂ・・・インバータ回路、
２５ａ、２５ｂ−・・高圧トランス、２６ａ、２６ｂ・
＝・整流器、２７ａ、２７ｂ・・・高圧コンデンサ、２
８ａ・・・基準放電管、２８ｂ・・・他の放電管、２９
ａ。 ２９ｂ・・・放電電流検出回路、３０ａ、３０ｂ・・・
放電電圧検出回路、３１・・・レーザパワー設定回路、
３２・・・レーザパワー検出回路、３３・・・第１の誤
差アンプ回路、３４ａ、３４ｂ・・・第２の誤差アンプ
回路、３５ａ、３５ｂ−・・放電制御回路（ＰＷＭ（ｆ
　Ｍ）　）、３６ａ、３６ｂ・　）ライバ回路、３７・
・・第３の誤差アンプ回路、３８・・・第４の誤差アン
プ回路、３９・・・基準放電管のための制御ブロック、
４０・・・他の放電管のための制御ブロック。 代理人の氏名　　弁理士　蔵　合　正　博第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）直流高電圧を放電管に印加し、直流グロー放電に
   よって励起されたガス媒質からレーザ光を発生させる複
   数の放電管を備えた直流励起式炭酸ガスレーザ制御方法
   において、複数の放電管のうちの一つを基準放電管とし
   てその放電電圧を基準放電電圧とし、前記基準放電電圧
   と他の放電管の放電電圧とを比較し、その比較結果に応
   じて前記他の放電管の放電電圧を前記基準放電電圧と同
   じ値になるようにフィードバック制御することを特徴と
   する炭酸ガスレーザ制御方法。 （２）高周波出力を放電管に注入し、高周波放電によっ
   て励起されたガス媒質からレーザ光を発生させる複数の
   放電管を備えた高周波励起式炭酸ガスレーザ制御方法に
   おいて、複数の放電管のうちの一つを基準放電管として
   その放電電圧を基準放電電圧とし、前記基準放電電圧と
   他の放電管の放電電圧とを比較し、その比較結果に応じ
   て前記他の放電管の放電電圧を前記基準放電電圧と同じ
   値になるようにフィードバック制御することを特徴とす
   る炭酸ガスレーザ制御方法。 （３）直流高電圧を放電管に印加し、直流グロー放電に
   よって励起されたガス媒質からレーザ光を発生させる複
   数の放電管を備えた直流励起式炭酸ガスレーザ制御装置
   において、複数の放電管のうちの一つを基準放電管とし
   てその放電電圧を基準放電電圧とし、前記基準放電電圧
   と他の放電管の放電電圧とが入力される誤差アンプ回路
   と、前記誤差アンプ回路の出力に応じて前記他の放電管
   の放電電圧が前記基準放電電圧と同じ値になるようにフ
   ィードバック制御する放電制御回路とを備えた炭酸ガス
   レーザ制御装置。 （４）レーザパワー設定回路の出力とレーザパワー検出
   回路の出力とが入力される第１の誤差アンプ回路と、前
   記第１の誤差アンプ回路の出力と各放電管の放電電流値
   とがそれぞれ入力される複数の第２の誤差アンプ回路と
   、前記複数の放電管のうちの予め選択された基準放電管
   の基準放電電圧値と他の放電管の放電電圧値とが入力さ
   れる第３の誤差アンプ回路と、前記基準放電管以外の他
   の放電管の放電電流値が入力される第２の誤差アンプ回
   路の出力と前記第３の誤差アンプ回路の出力とが入力さ
   れる第４の誤差アンプ回路と、前記第４の誤差アンプ回
   路の出力に応じて前記他の放電管の放電電圧値が前記基
   準放電電圧値と同じになるようにフィードバック制御す
   る放電制御回路とを備えた炭酸ガスレーザ制御装置。 （５）第１の誤差アンプ回路のフィードバック制御応答
   時間をｔ＿１とし、第２の誤差アンプ回路のそれをｔ＿
   ２とし、第３の誤差アンプ回路のそれをｔ＿３としたと
   き、これらの時間ｔ＿１、ｔ＿２、ｔ＿３が、ｔ＿１＞
   ｔ＿２＞ｔ＿３またはｔ＿１＞ｔ＿３＞ｔ＿２になるよ
   うに設定したことを特徴とする請求項（４）記載の炭酸
   ガスレーザ制御装置。（６）放電電圧のフィードバック
   制御を、放電開始信号が入力されてから遅れてかけるこ
   とを特徴とする請求項（４）または（５）記載の炭酸ガ
   スレーザ制御装置。 （７）高周波出力を放電管に注入し、高周波放電によっ
   て励起されたガス媒質からレーザ光を発生させる複数の
   放電管を備えた高周波励起式炭酸ガスレーザ制御方法に
   おいて、複数の放電管のうちの一つを基準放電管として
   その放電電圧を基準放電電圧とし、前記基準放電電圧と
   他の放電管の放電電圧とが入力される誤差アンプ回路と
   、前記誤差アンプ回路の出力に応じて前記他の放電管の
   放電電圧が前記基準放電電圧と同じ値になるようにフィ
   ードバック制御する放電制御回路とを備えた炭酸ガスレ
   ーザ制御装置。 （８）レーザパワー設定回路の出力とレーザパワー検出
   回路の出力とが入力される第１の誤差アンプ回路と、前
   記第１の誤差アンプ回路の出力と各放電管の高周波電力
   値とがそれぞれ入力される複数の第２の誤差アンプ回路
   と、前記複数の放電管のうちの予め選択された基準放電
   管の基準放電電圧値と他の放電管の放電電圧値とが入力
   される第３の誤差アンプ回路と、前記基準放電管以外の
   他の放電管の高周波電力値が入力される第２の誤差アン
   プ回路の出力と前記第３の誤差アンプ回路の出力とが入
   力される第４の誤差アンプ回路と、前記第４の誤差アン
   プ回路の出力に応じて前記他の放電管の放電電圧値が前
   記他の放電管の放電電圧値と同じになるようにフィード
   バック制御する放電制御回路とを備えた炭酸ガスレーザ
   制御装置。 （９）第１の誤差アンプ回路のフィードバック制御応答
   時間をｔ＿１とし、第２の誤差アンプ回路のそれをｔ＿
   ２とし、第３の誤差アンプ回路のそれをｔ＿３としたと
   き、これらの時間ｔ＿１、ｔ＿２、ｔ＿３が、ｔ＿１＞
   ｔ＿２＞ｔ＿３またはｔ＿１＞ｔ＿３＞ｔ＿２になるよ
   うに設定したことを特徴とする請求項（８）記載の炭酸
   ガスレーザ制御装置。（１０）放電電圧のフィードバッ
   ク制御を、放電開始信号が入力されてから遅れてかける
   ことを特徴とする請求項（８）または（９）記載の炭酸
   ガスレーザ制御装置。