CN104078829B - 具有判定放电开始的功能的气体激光振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明的具有判定放电开始的功能的气体激光振荡器具备：放电管，其设置于激光气体所循环的气体流路；输出指令部，其输出电源输出指令；电源部，其对放电管施加与电源输出指令值相应的放电管电压；电压检测部，其检测放电管电压；以及放电开始判定部，其基于放电管电压的变化比率来判定放电管中是否开始了放电。输出指令部以阶梯时宽和电源输出指令值的增幅使电源输出指令值呈阶梯状上升，该阶梯时宽是以到电源部对电源输出指令作出响应为止所需的时间为基准而决定的，该电源输出指令值的增幅是将与作为预先决定的基准的放电开始电压对应的电源输出指令值除以2以上的阶梯数而得到的。

Description

具有判定放电开始的功能的气体激光振荡器

技术领域

本发明涉及一种具有判定放电开始的功能的气体激光振荡器。

背景技术

以往，已知如下一种气体激光振荡器：预先存储正常进行放电时的放电管电压相对于对激光电源的指令电压的变化比率，在该变化比率与使指令电压上升时测量的放电管电压的变化比率之差变为阈值以内时，判定出放电开始。该气体激光振荡器例如记载于日本特开2011-222586号公报(JP2011-222586A)中。在JP2011-222586A所记载的气体激光振荡器中，使指令电压以第一时间间隔(例如0.1秒～1秒)呈阶梯状上升，并且在各阶梯电压的开头部分叠加第二时间间隔(例如10微秒～100微秒)的脉冲状的指令电压(脉冲电压)。

然而，当如JP2011-222586A所记载的气体激光振荡器那样对阶梯电压叠加脉冲电压作为指令电压时，存在以下担忧：激光电源中流动的电流过冲(overshoot)，过电流流过激光电源内的功率器件。为了防止这种情况，需要使指令电压逐渐上升直到判定出放电开始为止，到从激光待机状态转变为激光运转状态为止需要较长的时间。

发明内容

作为本发明的一个方式的气体激光振荡器具备：放电管，其设置于激光气体所循环的气体流路；输出指令部，其输出电源输出指令；电源部，其对上述放电管施加与从输出指令部输出的电源输出指令值相应的放电管电压；电压检测部，其检测放电管电压；以及放电开始判定部，其基于由电压检测部检测出的放电管电压相对于从输出指令部输出的电源输出指令值的变化比率，来判定放电管中是否开始了放电。输出指令部以阶梯时宽和电源输出指令值的增幅使电源输出指令值呈阶梯状上升，该阶梯时宽是以到电源部对电源输出指令作出响应为止所需的时间为基准而决定的，该电源输出指令值的增幅是将与作为预先决定的基准的放电开始电压对应的电源输出指令值除以2以上的阶梯数而得到的。

作为本发明的另一方式的气体激光振荡器具备：放电管，其设置于激光气体所循环的气体流路；输出指令部，其输出电源输出指令；电源部，其对上述放电管施加与从输出指令部输出的电源输出指令值相应的放电管电压；电压检测部，其检测放电管电压；放电开始判定部，其基于由电压检测部检测出的放电管电压相对于从输出指令部输出的电源输出指令值的变化比率，来判定放电管中是否开始了放电；以及气体压力调整部，其对气体流路内的激光气体压力进行调整。输出指令部当被指示开始放电时输出电源输出指令，随着输出电源输出指令之前的待机时间增加，气体压力调整部使气体流路内的激光气体压力逐渐减小。

附图说明

本发明的目的、特征以及优点通过与附图相关联的以下的实施方式的说明会变得更明确。在该附图中，

图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的气体激光振荡器的概要结构的图，

图2是表示电源输出指令值与放电管电压的关系的图，

图3是表示图1的气体激光振荡器对输出电源指令值的控制特性的一例的图，

图4A是表示图3的比较例的图，

图4B是表示图3的另一比较例的图，

图5是表示本发明的第二实施方式所涉及的气体激光振荡器对激光气体压力的控制特性的一例的图。

具体实施方式

-第一实施方式-

下面，参照图1～图4B来说明本发明的气体激光振荡器的第一实施方式。图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的气体激光振荡器100的概要结构的图。该气体激光振荡器100具备：谐振器1；对谐振器1的放电管11～14供给电力的电源部2；控制气体激光振荡器100的整个动作的数值控制装置(CNC)3；以及在电源部2与CNC3之间进行通信的接口部4。

谐振器1具有作为激光媒介的激光气体所循环的气体流路10。激光气体例如是将二氧化碳、氦以及氮按规定的组成比混合而成的。气体流路10具有第一流路101和第二流路102，该第一流路101具有放电管保持件10a，该第二流路102与第一流路101并排形成，设置有放电管保持件10b。在第一流路101上，夹着放电管保持件10a而设置有一对放电管11、12，在第二流路102上，夹着放电管保持件10b而设置有一对放电管13、14。

放电管11、13侧的端部处分别设置有折返镜105、106，放电管12侧的端部处设置有输出镜107，放电管14侧的端部处设置有后镜108。放电管11～14分别具有夹着流路101、102而相互对置的一对主电极11a～14a。主电极11a～14a的流路方向侧方(激光气体的流动方向上游侧)分别设置有辅助电极11b～14b。从电源部2对主电极11a～14a和辅助电极11b～14b分别供给高频电力。

气体流路10中设置有涡轮鼓风机(turboblower)15。通过涡轮鼓风机15的旋转，如图的箭头所示，从放电管11～14的一端侧吸入激光气体，并从涡轮鼓风机15排出。从涡轮鼓风机15排出的激光气体被分别供给到放电管11～14的另一端侧，从而在气体流路10中循环。

涡轮鼓风机15的上游侧和下游侧分别设置有热交换器16a、16b，在气体流路10中循环的激光气体通过热交换器16a、16b被冷却。由冷却水循环系统17将冷却水作为冷却介质供给到热交换器16a、16b。气体流路10内的激光气体的压力是由将激光气体供给并排出的激光气体压力控制系统18来控制。即，激光气体压力控制系统18具有供给和排出激光气体的控制阀，利用控制阀的开闭来控制激光气体压力。

电源部2具有对放电管11、13(主电极11a、13a和辅助电极11b、13b)施加电压的第一电源部21以及对放电管12、14(主电极12a、14a和辅助电极12b、14b)施加电压的第二电源部22。第一电源部21具有激光电源231和匹配单元241，第二电源部22具有激光电源232和匹配单元242。此外，激光电源231、232的结构相等，匹配单元241、242的结构也相等。下面，也有时以标记23来表示激光电源231、232，以标记24来表示匹配单元241、242。

激光电源231、232分别具有检测DC电流A的电流检测部271、272，匹配单元241、242分别具有检测放电管电压V的电压检测部281、282。并且，激光电源231、232分别具有自保护电路29。自保护电路29是过电流防止电路，当由电流检测部271、272检测出的DC电流A达到对电路设定的阈值A1时过电流防止电路进行动作，无论电源输出指令值如何都使DC电流A的输出停止，使放电管电压V降低到0V。由此，气体激光振荡器100的动作被强制停止，DC电流A被切断，防止激光电源231、232由于过电流而破损。将这种气体激光振荡器100的停止动作称为警告停止。

接口部4具有对激光电源231、232分别输出电源输出指令值S1、S2的输出指令部41以及取入来自电流检测部271、272和电压检测部281、282的信号的监视部42。下面，也有时将电源输出指令值S1、S2统称而单表示为S。激光电源231、232对主电极11a～14a和辅助电极11b～14b施加与电源输出指令值S1、S2相应的放电管电压。

当对主电极11a～14a供给电力时，在放电管11～14内的激光气体中开始放电。通过该主放电，激光气体被激励而产生光，光与输出镜107、后镜108之间发生谐振来受激发射从而被放大，其一部分从输出镜107被取出。所取出的激光被使用于激光加工等。下面，将激光振荡器100能够输出激光光束的激光状态称为激光运转状态，将不能输出激光光束的状态称为激光待机状态。在激光待机状态下，不从电源部2对主电极11a～14a和辅助电极11b～14b施加电压，主放电和辅助放电均消失。

另一方面，在激光运转状态下，即使激光输出为零(0W)也从电源部2对主电极11a～14a和辅助电极11b～14b持续供给固定量的电力。所供给的电力量被调整为主电极11a～14a的主放电消失的状态且只有辅助电极11b～14b的辅助放电开始的状态。该辅助放电由于是微弱的放电而不直接有助于激光输出，但是作为用于在激光输出为零(0W)的主放电消失的状态(基础放电的状态)下也使主放电容易开始的辅助放电而维持。即，即使在激光输出为零时，只要气体激光振荡器100未完全停止，电源部2就输出维持辅助放电的待机电力。

通过设为这种开始了辅助放电的激光运转状态，在对激光电源23发出电源输出指令的情况下，能够取得激光电源23与放电负载的阻抗匹配。与此相对，如果在未开始辅助放电的状态下对激光电源23发出输出指令(光束射出)，则不能取得激光电源23与放电负载的阻抗匹配，从而对放电管11～14施加过大的电压。其结果，存在过电流流过激光电源23而激光电源23破损或警告停止的担忧。

图2是表示电源输出指令值S与由电压检测部281、282检测出的放电管电压V之间的关系的图。如图2所示，当从放电管电压V为0V的激光待机状态起使电源输出指令值S上升时，放电管电压V增加。当主放电开始时，放电管电压V相对于电源输出指令值S的变化比率(特性的斜率)变小。因而，能够预先求出正常时(例如出厂时或有实效的通常运转时)的放电管电压V相对于电源输出指令值S的变化比率(基准变化比率)，在放电管电压V相对于电源输出指令值S的变化比率与基准变化比率之差为预先决定的阈值以内时，判定出放电开始。

辅助放电是在主放电开始之前已经开始。例如在图2的点A处辅助放电已开始，但是在辅助放电开始时放电管电压V的变化比率中看不到显著变化，难以仅针对辅助放电判定开始。因此，通过判定主放电的开始，辅助放电的开始也同时判定。在判定出该主放电的开始之后，使电源输出指令值S下降规定量或规定比率来使主放电消失，由此能够设为只有辅助放电启动的激光运转状态。

另外，在激光运转状态下，为了启动辅助放电而消耗电力。因此，从降低电力消耗的观点出发，优选的是除了例如在某个加工结束而移动到下一个加工的情况等激光加工时以外，尽量设为激光待机状态(主放电和辅助放电消失的状态)。然而，若在从激光待机状态恢复为激光运转状态时花费时间，则会招致加工效率的下降。另一方面，若为了抑制加工效率的下降而中止转变为激光待机状态，则激光运转状态延长，无法降低电力消耗。因此，在本实施方式中，为了能够在短时间内进行从激光待机状态恢复为激光运转状态的动作，如下那样控制对激光电源23的电源输出指令。

从输出指令部41输出的电源输出指令是由CNC3控制的。图3是表示在本实施方式所涉及的气体激光振荡器100中从激光待机状态转变为激光运转状态时的一个特性的图。图中的实线表示电源输出指令值S的时间变化，虚线表示流过电源部2的功率器件的电流A的时间变化。

如图3所示，CNC3以规定的时宽Δt(阶梯时宽)和电源输出指令值S的增幅ΔS(指令值增幅)使电源输出指令值S呈阶梯状上升。时宽Δt是以到电源部2对电源输出指令作出响应为止所需的时间(响应时间)为基准而预先决定的。即，Δt至少为响应时间以上，且以使放电开始所需的时间为几秒左右(例如2秒左右)的方式来决定。具体地说，当将响应时间设为1μ秒时，在1μ秒～几十μ秒之间、优选的是1μ秒～10μ秒之间设定Δt。此外，还能够利用以响应时间为参数的函数来决定Δt。例如，也可以将响应时间乘以规定的系数所得的值设为Δt。

另一方面，指令值增幅ΔS是根据与作为预先决定的基准的放电开始电压相当的电源输出指令值(基准指令值Sa)和阶梯上升的目标阶梯数N来决定的。作为基准的放电开始电压例如是在基准的气体状态(气体组成、气体温度等)下通过实验、分析等来决定的放电开始时的电压。此外，实际的放电开始电压根据气体状态而变化，放电开始时的电源输出指令值S不一定与基准指令值Sa一致，但是在图3中为了便于理解而示为一致。

目标阶梯数N至少为2以上，例如在2～10的范围内决定。在图3的例子中，N=4。CNC3计算将基准指令值Sa除以目标阶梯数N所得的值来作为指令值增幅ΔS。然后，从指示放电开始起每经过时宽Δt的量的时间就向输出指令部41输出控制信号以使电源输出指令值S增加指令值增幅ΔS的量。

由此，如图3所示，对激光电源23输出的电源输出指令值S呈阶梯状上升。电源输出指令值S的阶梯上升持续到放电管电压V相对于电源输出指令值S的变化比率变小而CNC3判定出放电开始为止。当CNC3判定出放电开始时，停止电源输出指令值S的阶梯上升，转变为激光运转状态。

若在放电开始时电源输出指令值S呈阶梯状上升，则流过功率器件的电流A会瞬间增大，产生如图3所示的电流的过冲。指令值增幅ΔS越大则该过冲越大。在本实施方式中，使电源输出指令值S以两个以上的阶梯上升，因此指令值增幅ΔS小，能够抑制过冲。其结果，流过功率器件的电流A的最大值为过电流防止电路工作的电流(过电流限制值Amax)以下，能够防止放电开始时的警告停止。

另外，在本实施方式中，考虑电源部2的响应时间而将阶梯上升的时宽Δt设定为较短的时间(例如1μ秒～10μ秒左右)，因此能够大幅缩短放电开始所需的时间。其结果，能够从激光待机状态立即转变为激光运转状态，不使加工效率下降而能够降低电力消耗。即，主放电和辅助放电消失的激光待机状态的时间变长，能够提高燃烧消耗率。

与此相对，如图4A所示，在例如以一次的阶梯使电源输出指令值S上升到与基准指令值Sa相当的值的情况下(实线)，流过功率器件的电流A(虚线)的过冲量变大，电流A的最大值恐怕会超过过电流限制值Amax。其结果，过电流防止电路工作，引起警告停止。另一方面，如图4B的实线所示，当使电源输出指令值S逐渐上升到放电开始时(实线)，虽然能够抑制流过功率器件的电流A(虚线)的过冲，但在这种情况下到放电开始为止要花费较长时间。

-第二实施方式-

参照图5来说明本发明的第二实施方式。此外，下面主要说明与第一实施方式的不同点。在第二实施方式中，考虑随着激光待机状态的时间经过而发生的放电开始的恶化。即，当激光待机时间变长时，激光气体温度和激光振荡器内部的温度下降而变得难以开始放电，恢复为激光运转状态需要较长时间。另外，由于放电负载(气体组成、气体温度等)的影响，从激光待机状态恢复为激光运转状态的恢复时间的偏差也变大。在第二实施方式中，考虑这一点，实现即使激光待机时间长的情况下也能够尽早恢复为激光运转状态。

在第二实施方式中，CNC3控制激光气体压力控制系统18的控制阀，控制气体流路10内的激光气体压力。即，在激光运转状态下，通过激光气体压力控制系统18的动作来控制激光气体的吸气量和排气量以使气体流路10内的激光气体压力为预先决定的运转气体压力。另一方面，在激光待机状态下，切断向气体流路10的激光气体的供给，按照预先决定的控制特性来使激光气体压力逐渐下降。

图5的实线是表示激光待机状态下的激光气体压力P的控制特性的图。此外，图5的虚线表示激光气体温度T的变化。如图5所示，在本实施方式中，随着待机时间经过而使激光气体压力P逐渐下降。更严谨地说，在转变为激光待机状态之后，在经过规定时间ta之前将激光气体压力P保持为规定的运转气体压力Pa，之后随着时间经过而使激光气体压力P逐渐下降直到激光气体压力P达到规定的待机气体压力Pb为止。当激光气体压力P达到待机气体压力Pb时，此后再开始激光气体压力控制系统18的动作，将激光气体压力P维持为待机气体压力Pb。该控制特性与图5的激光气体温度的特性对应。

此时，运转气体压力Pa与待机气体压力Pb之差例如为10hPa左右。激光气体压力P低于大气压力，因此使用真空泵来使激光气体压力P下降。通过像这样随着待机时间经过而使激光气体压力P逐渐下降，促使放电开始，能够抑制如图3所示那样使电源输出指令值S呈阶梯状上升来向激光运转状态恢复时的恢复时间的延迟和恢复时间的偏差。

在第二实施方式中，在激光待机状态下从气体流路10排出激光气体，因此在恢复为激光运转状态时，待机过程中所排出的量的激光气体压力P不足。然而，当为了进行激光加工而提高对放电管11～14的施加电压时，激光气体温度T瞬时上升，激光气体膨胀。由此，能够容易地使激光气体压力P恢复为规定的运转气体压力。另外，激光待机状态下的激光气体压力P小于大气压力，因此能够通过经由控制阀从高压的气体罐供给激光气体，来使激光气体压力P立即恢复为运转气体压力。

此外，也可以使上述第二实施方式中的电源输出指令值S的上升图案与图3不同。即，只要气体激光振荡器100具备对气体流路10内的激光气体压力P进行调整的激光气体压力控制系统18(气体压力调整部)，CNC3将气体压力调整部控制成随着从输出指令部41输出电源输出指令之前的待机时间的增加而使气体流路10内的激光气体压力P逐渐减小，那么也可以不像图3所示那样使用时宽Δt和指令值增幅ΔS来使电源输出指令值S呈阶梯状上升，而是使电源输出指令值以其它图案上升。

在上述实施方式(图1)中，气体激光振荡器100具备多个电源部21、22和多个放电管11～14，但是电源部和放电管的个数并不限于上述的个数。例如，既可以使电源部为一个，也可以使电源部和放电管这两方均为一个。在上述实施方式中，预先求出正常时的放电管电压V相对于电源输出指令值S的变化比率(基准变化比率)并进行存储，CNC3在放电管电压V相对于电源输出指令值S的变化比率与基准变化比率之差为预先决定的阈值以内时判定出放电开始，但是，只要是基于由电压检测部281、282检测出的放电管电压相对于从输出指令部41输出的电源输出指令值S的变化比率来判定放电开始，那么放电开始判定部的结构可以是任意结构。

也能够将上述实施方式与一个或多个变形例任意组合。

根据本发明的气体激光振荡器，能够在短时间内容易地从激光待机状态转变为激光运转状态。

以上，与本发明的优选实施方式相关联地对本发明进行了说明，但是能够不脱离前述的权利要求书的公开范围地进行各种修改和变更，这是本领域技术人员所可以理解的。

Claims (2)

1.一种气体激光振荡器，其特征在于，具备：

放电管(11，12，13，14)，其设置于激光气体所循环的气体流路(10)；

输出指令部(41)，其输出电源输出指令；

电源部(2)，其对上述放电管施加与从上述输出指令部输出的电源输出指令值(S)相应的放电管电压；

电压检测部(281，282)，其检测上述放电管电压；

放电开始判定部(3)，其基于由上述电压检测部检测出的放电管电压相对于从上述输出指令部输出的电源输出指令值的变化比率，来判定上述放电管中是否开始了放电；以及

气体压力调整部(18)，其对上述气体流路内的激光气体压力进行调整，

其中，上述输出指令部以阶梯时宽(Δt)使上述电源输出指令值呈阶梯状上升，该阶梯时宽(Δt)是到上述电源部对上述电源输出指令作出响应为止所需的响应时间乘以规定的系数而得到的，

随着从上述输出指令部输出电源输出指令之前的待机时间增加，上述气体压力调整部使上述气体流路内的激光气体压力逐渐减小。

2.一种气体激光振荡器，其特征在于，具备：

放电管(11，12，13，14)，其设置于激光气体所循环的气体流路(10)；

输出指令部(41)，其输出电源输出指令；

电源部(2)，其对上述放电管施加与从上述输出指令部输出的电源输出指令值(S)相应的放电管电压；

电压检测部(281，282)，其检测上述放电管电压；

放电开始判定部(3)，其在预先决定的正常进行放电时的放电管电压相对于电源输出指令值的变化比率与由上述电压检测部检测出的放电管电压相对于从上述输出指令部输出的电源输出指令值的变化比率之差为预先决定的阈值以内时，判定出上述放电管中开始了放电；以及

气体压力调整部(18)，其对上述气体流路内的激光气体压力进行调整，

其中，随着从上述输出指令部输出电源输出指令之前的待机时间增加，上述气体压力调整部使上述气体流路内的激光气体压力逐渐减小。