JPH11312838A - ガスレーザ発振装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】マイクロ波出力を安定化し、高安定のレーザビ
ームを出力することができるガスレーザ発振装置および
その制御方法を提供する。 【解決手段】マイクロ波発生装置１２と、そのマイクロ
波をレーザガスに供給して励起させる放電部１５と、こ
の放電部１５内で励起されたレーザガスを共振させてレ
ーザビームを発生させる光共振器１６，１７とを備え、
マイクロ波発生装置１２中のマグネトロン２６のヒータ
に直流電圧を印加する。制御方法は、マクネトロン電流
の１パルス分の積分値を指令値と比較する。また他の構
成として、共振型インバータでマグネトロン発生装置を
駆動する場合、パルスレーザのオフ期間中共振型インバ
ータを短絡する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、マイクロ波でレ
ーザガスを励起させてレーザビームを得るガスレーザ発
振装置およびその制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波励起ガスレーザ発振装置の例
としては、文献 ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ Ｌ
ＥＴＴＥＲ，３７（８），Ｐ６７３（１９８０）等が知
られている。上記のガスレーザ発振装置に基づき、本発
明者がこれまで検討してきたマイクロ波励起炭酸ガスレ
ーザ発振装置の構成概略図を図４に示す。

【０００３】図４において、１２はマイクロ波を発生さ
せるマグネトロンを含むマイクロ波発生装置、２５はマ
グネトロン駆動電源、２６はマグネトロン、２８はマグ
ネトロンヒータ駆動用電源、２７はマグネトロンヒータ
用トランスであり、マグネトロンヒータ用トランス２７
は、マグネトロン２６のヒータに交流の電圧を印加す
る。１３はマイクロ波発生装置１２を制御する制御部、
１１はガラス等の誘電体で形成される放電管、１４はマ
イクロ波を放電管１１内に供給する導波管である。放電
管１１は導波管１４を貫通しているので、放電管１１内
のレーザガスは、マイクロ波で励起される。このレーザ
ガスが励起される部分が放電部１５である。放電管１１
の一端には全反射鏡１６が、他端には部分反射鏡１７が
配置されこれらにより光共振器を形成している。部分反
射鏡１７からはレーザビーム１８が出射される。また放
電管１１の両端には送気管１９が接続され、さらに放電
管１１の中央部には吸気管２０が接続されている。吸気
管２０と送気管１９との間には、熱交換器２１、２２と
送風機２３が接続され、レーザガスを循環させるように
している。熱交換器２１、２２は放電部１５の放電およ
び送風機２３により温度上昇したレーザガスを冷却させ
るために設けている。矢印２４はレーザガスの流れる方
向を示しており、図に示すガスレーザ発振装置の中をレ
ーザガスが循環している。

【０００４】以上のように構成された炭酸ガスレーザ発
振装置の動作について説明する。まず、制御部１３でマ
イクロ波発生装置１２を制御し、マイクロ波を発生させ
る。導波管１４を通じて放電管１１内の放電部１５にマ
イクロ波を印加し、放電部１５にグロー放電を発生させ
る。放電部１５を通過するレーザガスは、この放電エネ
ルギーを得て励起され、その励起されたレーザガスは全
反射鏡１６と部分反射鏡１７により形成された光共振器
間で共振状態となり、部分反射鏡１７を透過してレーザ
ビーム１８が出射される。

【０００５】

【発明が解決しようする課題】このマイクロ波励起ガス
レーザ発振装置においてレーザビームの安定性が加工品
質に大きく影響し、特にＰ板（プリント基板）加工など
の微細加工では、高度な安定性が要求される。しかし、
マグネトロン２６のヒータには、従来よりヒータ用トラ
ンス２７を介して交流の電圧を印加するが、ヒータ電圧
の交流分の変化がマイクロ波出力を変化させ、結果的に
レーザビームの出力安定性が悪化するという欠点があっ
た。

【０００６】また、従来よりレーザビーム出力を安定す
るために、マグネトロン電流の平均値のフィードバック
制御を行い、マイクロ波及びレーザビーム出力の安定化
を行ってきた。しかし、マイクロ波の発生を断続させ、
パルス状のレーザ出力を発生させるパルス運転を行う場
合、特にパルス周波数が変化し、低デューティでのパル
ス運転のとき、マグネトロン電流の平均値がパルス条件
により変化し、また非常に小さな値となるため、マグネ
トロン電流の平均値でのフィードバック制御が困難であ
った。

【０００７】また、マイクロ波発生装置１２が共振型イ
ンバータによりマグネトロン２６を駆動している場合、
パルス運転中のＯＦＦ期間に共振型インバータのスイッ
チング素子が停止しても共振回路の振動がすぐには停止
せず、減衰しながら停止する。従って、パルス運転中の
ＯＦＦ時間が短い場合、共振回路が振動している間に次
のパルスのＯＮ期間が開始するため、振動の状態により
パルス運転中のＯＮ期間開始時のマイクロ波出力が変動
し、レーザビームの出力安定性が悪化するという欠点が
あった。

【０００８】この発明は、上記問題を解決するためにな
されたもので、マイクロ波出力を安定化し、高安定のレ
ーザビームを出力することができるガスレーザ発振装置
およびその制御方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のガスレー
ザ発振装置は、ヒータを有しこのヒータに電圧を印加し
てマイクロ波を出力させるマグネトロンを有するマイク
ロ波発生装置と、このマイクロ波発生装置からのマイク
ロ波をレーザガスに供給してレーザガスを励起させる放
電部と、この放電部内で励起されたレーザガスを共振さ
せてレーザビームを発生させる光共振器とを備え、マイ
クロ波発生装置中のマグネトロンのヒータに直流電圧を
印加することを特徴とするものである。

【００１０】請求項１記載のガスレーザ発振装置によれ
ば、マイクロ波発生装置中のマグネトロンのヒータに直
流電圧を印加したため、従来のヒータ電圧の交流分を減
少させ、マイクロ波の出力変動を抑制でき、レーザビー
ムの出力を安定化することが可能となる。この結果、加
工品質の向上と安定性を達成することができる。請求項
２記載のガスレーザ発振装置の制御方法は、マイクロ波
を発生させるマグネトロンを有するマイクロ波発生装置
と、このマイクロ波発生装置からのマイクロ波をレーザ
ガスに供給してレーザガスを励起させる放電部と、この
放電部内で励起されたレーザガスを共振させてレーザビ
ームを発生させる光共振器と、マイクロ波発生装置の動
作を制御してマイクロ波の発生を断続させレーザビーム
をパルス状に発生させる制御部を備えたガスレーザ発振
装置の制御方法であって、制御部により、１パルス中の
マグネトロン電流の積分値を、基準となる指令値と比較
してその差分を求め、この差分に応じてレーザビームの
出力が安定するように、次のパルスの出力調整を行うこ
とを特徴とするものである。

【００１１】請求項２記載のガスレーザ発振装置の制御
方法によれば、マイクロ波の発生を断続させ、パルス状
のレーザ出力を発生させるパルス運転を行う場合、１パ
ルス中のマグネトロン電流の積分値を指令値と比較し、
差分により次のパルスの調整を行うので、従来からのマ
グネトロン電流の平均値によるフィードバック制御では
困難であったマグネトロン電流を安定化させ、マイクロ
波の出力変動を抑制でき、パルス運転でのレーザビーム
の出力を安定化することが可能となる。この結果、加工
品質の向上と安定性を達成することができる。

【００１２】請求項３記載のガスレーザ発振装置は、共
振型インバータを有しこの共振型インバータにより駆動
されてマイクロ波を発生させるマグネトロンを有するマ
イクロ波発生装置と、このマイクロ波発生装置からのマ
イクロ波をレーザガスに供給してレーザガスを励起させ
る放電部と、この放電部内で励起されたレーザガスを共
振させてレーザビームを発生させる光共振器と、マイク
ロ波発生装置の動作を制御してマイクロ波の発生を断続
させレーザビームをパルス状に発生させるパルス運転を
行う制御部と、この制御部により制御されてパルス運転
中のＯＦＦ期間に共振型インバータを短絡する回路とを
備えたものである。

【００１３】請求項３記載のガスレーザ発振装置によれ
ば、マイクロ波の発生を断続させてパルス状のレーザ出
力を発生させるパルス運転を行い、かつマイクロ波発生
装置の共振型インバータを、パルス運転中のＯＦＦ期間
に短絡するため、パルス運転中のＯＦＦ期間に共振回路
の振動を停止することが可能となり、パルス運転中のＯ
Ｎ期間開始時のレーザビームの出力を安定化することが
可能となる。この結果、加工品質の向上と安定性を達成
することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、図１、図２および図３を用いて説明する。 （第１の実施の形態）この発明の第１の実施の形態を図
１により説明する。図１が図４と異なる点はマグネトロ
ンヒータ用トランス２７の出力側にマグネトロンヒータ
用整流回路２９を追加したことである。マグネトロンヒ
ータ用トランス２７の交流出力を整流し、直流電圧に変
換してマグネトロン２６のヒータに印加するよう構成し
ている。

【００１５】すなわち、第１の実施の形態のガスレーザ
発振装置は、ヒータを有しこのヒータに電圧を印加して
マイクロ波を出力させるマグネトロン２６を有するマイ
クロ波発生装置１２と、このマイクロ波発生装置１２か
らのマイクロ波をレーザガスに供給してレーザガスを励
起させる放電部１５と、この放電部１５内で励起された
レーザガスを共振させてレーザビームを発生させる光共
振器（１６，１７）とを備え、マイクロ波発生装置１２
中のマグネトロン１６のヒータに直流電圧を印加するも
のである。

【００１６】その他の具体的構成は図４について説明す
る従来例と同様である。なお、マグネトロンヒータ駆動
用電源２８は、単相の商用周波電源、３相の商用周波電
源および高周波インバータのいずれでも構成可能であ
る。この実施の形態によれば、マイクロ波発生装置１２
中のマグネトロン２６のヒータに直流電圧を印加したた
め、従来のヒータ電圧の交流分を減少させ、マイクロ波
の出力変動を抑制でき、レーザビームの出力を安定化す
ることが可能となる。この結果、加工品質の向上と安定
性を達成することができる。

【００１７】（第２の実施の形態）この発明の第２の実
施の形態を図２により説明する。まず、このガスレーザ
発振装置は、図４に示したようにマイクロ波を発生させ
るマグネトロン２６を有するマイクロ波発生装置１２
と、このマイクロ波発生装置１２からのマイクロ波をレ
ーザガスに供給してレーザガスを励起させる放電部１５
と、この放電部１５内で励起されたレーザガスを共振さ
せてレーザビームを発生させる光共振器（１６，１７）
と、マイクロ波発生装置１２の動作を制御してマイクロ
波の発生を断続させレーザビームをパルス状に発生させ
る制御部１３を備えている。この構成は図４について説
明する従来例の構成と同様であるのでその具体的説明を
省略する。

【００１８】とくに第２の実施の形態はガスレーザ発振
装置の制御方法であって、制御部１３により、１パルス
中のマグネトロン電流の積分値を、基準となる指令値と
比較してその差分を求め、この差分に応じてレーザビー
ムの出力が安定するように、次のパルスの出力調整を行
うものである。図２は制御部１３の構成を示す。図２に
おいて、３０はマグネトロン２６のマグネトロン電流を
検出するマグネトロン電流検出回路、３１はマグネトロ
ン電流信号を１パルス期間分積分する積分回路、３２は
積分回路３１で積分した値を基準となる指令信号３５と
比較して差分を出力する比較回路、３３はパルス信号３
４に応じて積分回路３１の積分をリセットするリセット
回路、３４はパルス信号、３５は指令信号、３６はパル
ス信号３４ごとに差分を保持するサンプルホールド回
路、３７は差分に応じて出力調整を行なう出力調整回
路、３８はパルス信号３４に応じて出力調整回路３７に
より出力調整された例えばパルス幅をもつ出力でマイク
ロ波発生装置１２を駆動させるドライブ回路であり、こ
れらにより制御部１３を構成しており、マイクロ波発生
装置１２を制御する。

【００１９】またこの制御方法を使用する装置の構成と
しては、マグネトロン電流を検出するマグネトロン電流
検出回路３０と、１パルス中のマグネトロン電流を積分
する積分回路３１と、積分値と指令値とを比較して差分
を出力する比較回路３２と、その出力に応じてドライブ
出力を調整する出力調整回路３７とが対応する。マグネ
トロン電流検出回路３０より出力されたマグネトロン電
流信号を積分回路３１にて１パルス期間分積分し、積分
した値を比較回路３２にて指令信号３５と比較する。比
較回路３２の出力は、サンプルホールド回路３６にて次
回のパルス期間まで保持され、その出力により出力調整
回路３７にて出力調整を行い、ドライブ回路３８を通し
てマイクロ波発生装置１２を制御する。

【００２０】この実施の形態によれば、マイクロ波の発
生を断続させ、パルス状のレーザ出力を発生させるパル
ス運転を行う場合、１パルス中のマグネトロン電流の積
分値を指令値と比較し、差分により次のパルスの調整を
行うので、従来からのマグネトロン電流の平均値による
フィードバック制御では困難であったマグネトロン電流
を安定化させ、マイクロ波の出力変動を抑制し、パルス
運転でのレーザビームの出力を安定化することが可能と
なる。この結果、加工品質の向上と安定性を達成するこ
とができる。

【００２１】なお、第２の実施の形態は第１の実施の形
態に適用してもよい。 （第３の実施の形態）この発明の第３の実施の形態を図
３により説明する。すなわち、このガスレーザ発振装置
は、図４に示すようにマイクロ波発生装置１２と、この
マイクロ波発生装置１２からのマイクロ波をレーザガス
に供給してレーザガスを励起させる放電部１５と、この
放電部１５内で励起されたレーザガスを共振させてレー
ザビームを発生させる光共振器と、マイクロ波発生装置
１２の動作を制御してマイクロ波の発生を断続させレー
ザビームをパルス状に発生させるパルス運転を行う制御
部１３とを備えている。この点は図４について説明する
従来例と同様であるのでその具体的説明を省略する。

【００２２】とくに、第３の実施の形態では、マイクロ
波発生装置１２は、マグネトロン駆動電源２５に共振型
インバータを有し、この共振型インバータにより駆動さ
れてマイクロ波を発生させるマグネトロン２６を有する
ものである。またマイクロ波発生装置１２のマグネトロ
ン駆動電源２５は、図３に示すように制御部１３により
制御されてパルス運転中のＯＦＦ期間に共振型インバー
タを短絡する回路４１を有する。

【００２３】図３はマグネトロン駆動電源２５を示し、
図３において、３９はＡＣ／ＤＣコンバータ、４０は共
振型インバータ、４１は共振回路短絡回路であり、これ
らによりマグネトロン駆動電源２５の回路を構成してお
り、マグネトロン２６を駆動する。共振回路短絡回路４
１は、制御部１３のパルス信号によるパルス運転中のＯ
ＦＦ期間に共振型インバータ４０の共振回路を短絡する
よう構成している。図３の共振型インバータ４０におい
て、４２は制御部１３により制御されるスイッチング素
子、４３はコンデンサ、４４はトランス、４５は整流回
路である。

【００２４】この実施の形態によれば、マイクロ波の発
生を断続させてパルス状のレーザ出力を発生させるパル
ス運転を行い、かつマイクロ波発生装置の共振型インバ
ータを、パルス運転中のＯＦＦ期間に短絡するため、パ
ルス運転中のＯＦＦ期間に共振回路の振動を停止するこ
とが可能となり、パルス運転中のＯＮ期間開始時のレー
ザビームの出力を安定化することが可能となる。この結
果、加工品質の向上と安定性を達成することができる。

【００２５】なお、第３の実施の形態は第１の実施の形
態および第２の実施の形態の一方または両方に適用でき
る。また以上の説明では、軸流型のガスレーザ発振装置
を用いたが、他の形式のガスレーザ発振装置であっても
効果が得られる。

【００２６】

【発明の効果】請求項１記載のガスレーザ発振装置によ
れば、マイクロ波発生装置中のマグネトロンのヒータに
直流電圧を印加したため、従来のヒータ電圧の交流分を
減少させ、マイクロ波の出力変動を抑制でき、レーザビ
ームの出力を安定化することが可能となる。この結果、
加工品質の向上と安定性を達成することができる。

【００２７】請求項２記載のガスレーザ発振装置の制御
方法によれば、マイクロ波の発生を断続させ、パルス状
のレーザ出力を発生させるパルス運転を行う場合、１パ
ルス中のマグネトロン電流の積分値を指令値と比較し、
差分により次のパルスの調整を行うので、従来からのマ
グネトロン電流の平均値によるフィードバック制御では
困難であったマグネトロン電流を安定化させ、マイクロ
波の出力変動を抑制でき、パルス運転でのレーザビーム
の出力を安定化することが可能となる。この結果、加工
品質の向上と安定性を達成することができる。

【００２８】請求項３記載のガスレーザ発振装置によれ
ば、マイクロ波の発生を断続させてパルス状のレーザ出
力を発生させるパルス運転を行い、かつマイクロ波発生
装置の共振型インバータを、パルス運転中のＯＦＦ期間
に短絡するため、パルス運転中のＯＦＦ期間に共振回路
の振動を停止することが可能となり、パルス運転中のＯ
Ｎ期間開始時のレーザビームの出力を安定化することが
可能となる。この結果、加工品質の向上と安定性を達成
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態におけるマイクロ
波励起ガスレーザ発振装置の概略構成図である。

【図２】第２の実施の形態におけるマイクロ波励起ガス
レーザ発振装置の制御部の概略ブロック図である。

【図３】第３の実施の形態におけるマイクロ波励起ガス
レーザ発振装置のマグネトロン駆動電源の回路の概略構
成図である。

【図４】従来例のマイクロ波励起ガスレーザ発振装置の
概略構成図である。

【符号の説明】

１２ マイクロ波発生装置 １３ 制御部 １５ 放電部 １６ 全反射鏡 １７ 部分反射鏡 ２５ マグネトロン駆動電源 ２６ マグネトロン ２７ マグネトロンヒータ用トランス ２８ マグネトロンヒータ駆動用電源 ２９ マグネトロンヒータ用整流回路 ３０ マグネトロン電流検出回路 ３１ 積分回路 ３２ 比較回路 ３７ 出力調整回路 ４１ 共振回路短絡回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヒータを有しこのヒータに電圧を印加し
   てマイクロ波を出力させるマグネトロンを有するマイク
   ロ波発生装置と、このマイクロ波発生装置からのマイク
   ロ波をレーザガスに供給して前記レーザガスを励起させ
   る放電部と、この放電部内で励起された前記レーザガス
   を共振させてレーザビームを発生させる光共振器とを備
   え、前記マイクロ波発生装置中の前記マグネトロンの前
   記ヒータに直流電圧を印加することを特徴とするガスレ
   ーザ発振装置。
2. 【請求項２】 マイクロ波を発生させるマグネトロンを
   有するマイクロ波発生装置と、このマイクロ波発生装置
   からのマイクロ波をレーザガスに供給して前記レーザガ
   スを励起させる放電部と、この放電部内で励起された前
   記レーザガスを共振させてレーザビームを発生させる光
   共振器と、前記マイクロ波発生装置の動作を制御して前
   記マイクロ波の発生を断続させ前記レーザビームをパル
   ス状に発生させる制御部を備えたガスレーザ発振装置の
   制御方法であって、前記制御部により、１パルス中のマ
   グネトロン電流の積分値を、基準となる指令値と比較し
   てその差分を求め、この差分に応じて前記レーザビーム
   の出力が安定するように、次のパルスの出力調整を行う
   ことを特徴とするガスレーザ発振装置の制御方法。
3. 【請求項３】 共振型インバータを有しこの共振型イン
   バータにより駆動されてマイクロ波を発生させるマグネ
   トロンを有するマイクロ波発生装置と、このマイクロ波
   発生装置からのマイクロ波をレーザガスに供給して前記
   レーザガスを励起させる放電部と、この放電部内で励起
   された前記レーザガスを共振させてレーザビームを発生
   させる光共振器と、前記マイクロ波発生装置の動作を制
   御して前記マイクロ波の発生を断続させ前記レーザビー
   ムをパルス状に発生させるパルス運転を行う制御部と、
   この制御部により制御されて前記パルス運転中のＯＦＦ
   期間に前記共振型インバータを短絡する回路とを備えた
   ガスレーザ発振装置。