JP2007059690A - 高周波放電励起ガスレーザ発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、高熱により放電管などの部品の損傷を生じることなく、従来の最大出力指令より高い指令領域を有効に活用することにより、比較的簡単な構成で、パルス指令時のレーザ出力を高めることができる高周波放電励起ガスレーザ発振器を提供する。
【解決手段】 レーザ電源１５と放電管３ａ，３ｂとの間に位置して、レーザ電源１５から放電管３ａ，３ｂへの供給電力を検出するＲＦ電力検出回路１８と、レーザ電源１５の上流側に位置し、放電管温度と供給電力との関係から求められた供給電力の許容上限値とＲＦ電力検出回路１８により検出された電力モニタ値とを比較して、電力モニタ値が許容上限値より高い場合に放電管３ａ，３ｂへのパルス指令値を停止し、許容上限値に基づいてパルス指令値を設定するパルス指令制御回路１９とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばレーザ加工機に適用され、パルス指令制御されるレーザ電源により放電管へ電力が供給される高周波放電励起ガスレーザ発振器に関する。

一般に、高周波放電励起ガスレーザ発振器を用いたレーザ加工において、高品位な穴明け加工や安定した切断加工を行う際には、パルス指令制御されたパルス出力のレーザ光を使用して加工が行われる。これは、図４に示される放電管温度とピーク出力指令値の関係から明らかなように、ＣＷ出力指令時よりパルス出力指令時のほうがピーク出力値を高くできるからである。すなわち、放電管が破壊する温度Ｔは、ピーク出力値の増大に伴って上昇するが、ＣＷ出力指令時（直線Ａ）の平均出力に比べてパルス出力指令時（直線Ｂ）のほうが平均出力が小さく、放電管の温度上昇が少なく、放電管が破壊する温度Ｔにおいて、パルス出力指令時のピーク出力指令値ＰｂをＣＷ出力指令時のピーク出力指令値Ｐａより高くすることができるためである。

その一方で、ピーク出力指令値が高くなり、放電管の破壊温度Ｔを超えると、レーザ電源のＭＯＳＦＥＴなどのパワー素子が過電力により破損したり、発熱により放電管が破損したりする。このため、ピーク出力指令値は放電管を駆動するレーザ電源の容量と、放電管の耐電力で制限されている。

高周波放電励起ガスレーザ発振器において、パルス出力指令値を制御する従来の一例として、特許文献１〜４に記載されているものがある。特許文献１には、パルスの平均出力値とピーク出力指令値を独立に制御する構成を備え、加工条件に応じたパルス出力の調整を容易にし、かつ、安定したレーザ加工を行うことができるレーザ制御装置が開示されている。

特許文献２には、直流を高周波交流に変換するＲＦインバータとレーザ発振器との間に設けられた電流検出手段と、検出された電流と三角波とを比較する制御手段と、三角波が電流制限動作点に達したらパルス幅を狭くするパルス幅変調回路とを供え、過負荷の場合に電流を下げて電源を保護することができるレーザ電源が開示されている。

特許文献３には、パルス指令時のパルス波形の時間幅と出力指令値との関係から、素子などの発熱の問題を回避するためにリミッタ曲線を設定する手段と、パルス波形から得られた各パルス要素を並びかえる手段と、パルス要素がリミッタ曲線内にあるか否か判断する手段と、パルス要素がリミッタ曲線内に入るようにパルス波形を修正する手段とを備え、パルス波形の修正を無駄なく迅速に行うことができるレーザ電源供給装置が開示されている。

特許文献４には、パルス幅指令とピーク出力指令の関係を設定した変換テーブルを用いてパルス幅を変更する手段と、パルス幅を設定値に基づいて補正する手段とを備え、パルス出力を一定に制御することができるレーザ加工装置が開示されている。

特公平６−４４６５３号公報 特開平１１−２３３８６２号公報 特開平１０−２２９２３３号公報 特開２０００−１２６８７９号公報

特許文献１又は２は、加工条件などが変わった場合に、パルス幅を狭くしたりして、パルス出力を一定に保つ技術を提供するものであるが、パルス出力を高める技術を開示するものではない。

特許文献３では、パルス指令の周波数やデューティ、レーザの固体差などの様々なパルス指令条件に対して、パルス指令の時間幅と出力指令値のみで正確なリミッタ曲線を設定することは困難であり、実際にはかなりのマージンをもったリミッタ曲線を設定しなければならず、パルス出力が実際の上限値より低く設定される傾向にあり、パルス出力を高めるには限界があった。また、リミッタ曲線を設定するために演算手段を用いているために、装置構成が複雑化するという問題もあった。

特許文献４は、パルス指令の周波数やデューティ、レーザの固体差などの様々なパルス指令条件に対して、パルス指令の時間幅と出力指令値のみで正確な変換テーブルを設定することは困難であり、実際にはかなりのマージンをもった変換テーブルを設定しなければならなかった。このため、パルス出力は変換テーブルの精度に依存し、パルス出力を上限値に近づけるには限界があった。また、パルス出力の精度は検出器の性能に依存しており、高速応答可能な検出器の場合には価格が高くなるという難点があった。変換テーブル等の演算手段を用いているために、装置構成が複雑化するという問題もあった。

本発明は、上記事情に鑑み、高熱により放電管などの部品の損傷を生じることなく、従来の最大出力指令より高い指令領域を有効に活用することにより、比較的簡単な構成で、パルス指令時のレーザ出力を高めることができる高周波放電励起ガスレーザ発振器を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明の請求項１の発明は、パルス指令制御されるレーザ電源が放電管へ電力を供給する高周波放電励起ガスレーザ発振器において、前記レーザ電源と前記放電管との間に位置して、前記レーザ電源から前記放電管への供給電力を検出する電力検出手段と、前記レーザ電源の上流側に位置し、放電管温度と供給電力との関係から求められた供給電力の許容上限値と前記電力検出手段により検出された実際の前記供給電力とを比較して、該供給電力が前記許容上限値より高い場合に前記放電管へのパルス指令値を停止し、前記許容上限値に基づいてパルス指令値を設定するパルス指令制御手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２の発明は、パルス指令制御されるレーザ電源が直流電源部と高周波電源部とを有し、該高周波電源部が放電管へ電力を供給する高周波放電励起ガスレーザ発振器において、前記直流電源部と前記高周波電源部との間に位置し、前記直流電源部から前記放電管への供給電力を検出する電力検出手段と、前記直流電源部の上流側に位置し、放電管温度と供給電力との関係から求められた供給電力の許容上限値と前記電力検出手段により検出された実際の前記供給電力とを比較して、該供給電力が前記許容上限値より高い場合に前記放電管へのパルス指令値を停止し、前記許容上限値に基づいてパルス指令値を設定するパルス指令制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本願の請求項１記載の発明によれば、電力検出手段によりレーザ電源から放電管への供給電力を検出し、パルス指令制御手段により実際の供給電力が許容上限値より高い場合に放電管へのパルス指令値を停止し、許容上限値に基づいてパルス指令値を設定することで、放電管の破壊温度を超えない限界までパルス出力を高めることができる。したがって、高熱により放電管などの部品の損傷を生じることなく、従来の最大出力指令より高い指令領域を有効に活用することにより、比較的簡単な構成で、パルス指令時のレーザ出力を高めることができる。

請求項２記載の発明によれば、電力検出手段により高周波電源部を介して直流電源部から放電管へ供給される電力を検出し、パルス指令制御手段により実際の供給電力が許容上限値より高い場合に放電管へのパルス指令値を停止し、許容上限値に基づいてパルス指令値を設定することで、放電管の破壊温度を超えない限界までパルス出力を高めることができる。このため、高熱により放電管などの部品の損傷を生じることなく、従来の最大出力指令より高い指令領域を有効に活用することにより、比較的簡単な構成で、パルス指令時のレーザ出力を高めることができる。直流電源部より供給電力が検出されることで、高周波電源部より供給電力が検出される場合と比較して、検出回路の動作周波数や動作電圧が低く抑えられ、電力検出手段を容易に構成することができる。

以下に本発明の実施の形態の具体例を図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明に係る高周波放電励起ガスレーザ発振器の第１の実施形態を示す。

図１に示すように、本実施形態の高周波放電励起ガスレーザ発振器１は、発振器本体２と、レーザ光７を放電励起する放電管３ａ，３ｂへ電力を供給するレーザ電源１５と、レーザ電源１５から放電管３ａ，３ｂへの供給電力を検出するＲＦ電力検出回路（電力検出手段）１８と、放電管３ａ，３ｂに対するパルス指令値を制御するパルス指令制御回路（パルス指令制御手段）１９とを備え、放電管温度と供給電力との関係から供給電力の許容上限値Ｗ（図２参照）を求め、この許容上限値Ｗと検出された実際の供給電力とを比較し、実際の供給電力が許容上限値Ｗを超えないように放電管３ａ，３ｂへのパルス出力指令値を制御するものである。

図２は放電管温度と放電管３ａ，３ｂへの供給電力との関係を示したものである。この図は、放電管破壊温度Ｔは供給電力に依存し、発振形態には依存しないことを示している。すなわち、ＣＷ出力指令時もパルス出力指令時も同じ温度特性となり、また、パルス出力指令値、周波数、デューティなどの様々な指令条件に係わらず同じ温度特性となり、放電管３ａ，３ｂの破壊温度Ｔに達するときの供給電力Ｗは、指令条件に関係なく一定となることを意味している。

したがって、パルス指令時に、レーザ電源１５から放電管３ａ，３ｂへの供給電力を検出し、この供給電力によって、パルス出力指令値をクランプすることにより、放電管３ａ，３ｂ等の部品破損障害の発生を防止できる。パルス出力指令値をクランプした際に、許容上限値Ｗに基づいてパルス指令値を設定することで、複雑な構成を必要とせずに、従来の最大出力指令よりも、高い指定領域を有効に活用でき、レーザ出力を高めることが可能となる。

本実施形態の高周波放電励起ガスレーザ発振器１の構成について説明する。図１に示すように、発振器本体２は、図示しないレーザガス制御システムと、レーザガス制御システムによってレーザガス４の供給を受ける２つの放電管３ａ，３ｂを有している。レーザガス制御システムは、放電管３ａ，３ｂへのレーザガス４の供給及び放電管３ａ，３ｂからのレーザガス４の排出を行う。

放電管３ａ，３ｂは、この放電管３ａ，３ｂを挟むように外側に配置された図示しない一対の放電電極３ｃ，３ｄを有し、光共振器内に配置されている。放電電極３ｃ，３ｄには同一寸法で適宜コーティングされたものを用いることが好ましい。放電電極３ｃ，３ｄにはレーザ電源１５が接続され、パルス指令制御回路１９からの電流指令値に応じた高周波電流が放電管３ａ，３ｂに供給されるようになっている。

発振器本体２の一端には、部分透過性を有しないリア鏡（共振器内部ミラー）５が設けられ、他端には出力鏡６が設けられている。リア鏡５は反射率９９．５％のゲルマニウム製の鏡であり、出力鏡６は反射率６５％のジンクセレン製の鏡である。両鏡５，６は安定型共振器を構成し、励起されたレーザガス分子から放出される１０．６μｍの光を増幅して一部を出力鏡６からレーザ光７として外部に出力する。

発振器本体２の内部には、レーザガス４を冷却器８ａ、８ｂを通して循環させる送風器９としてのターボブロワが配置されている。冷却器８ａは、放電によって高温となったレーザガス４を冷却するためのものであり、冷却器８ｂは送風器９による圧縮熱を除去するためのものである。

さらに、発振器本体２はシャッタ１０を有している。シャッタ１０は、表面に金メッキが施された銅板で構成されており、シャッタ制御回路１１を介してプロセッサ１２の指令に基づいて開閉する。シャッタ１０が閉じている時には、出力鏡６から出力されたレーザ光７を反射する。反射したレーザ光７はビームアブソーバ１３に吸収される。また、シャッタ１０が開いている時には、レーザ光７がレーザ発振器１の外部に出力される。

レーザ電源１５は、ＤＣ電源部（直流電源部）１６とＲＦ電源部（高周波電源部）１７とから構成されている。ＤＣ電源部１６は、商用電源を整流した後、スイッチング動作を行って直流に変換する。ＲＦ電源部１７は、直流を２ＭＨｚの高周波交流に変換し、パルス指令制御回路１９からのパルス出力指令に基づいて高周波電流を放電管３ａ、３ｂに供給する。放電管３ａ、３ｂの内部には、レーザガス４が循環しており、レーザ電源１５から高周波電圧が印加されるとことで放電を生じ、レーザガス４が励起される。

ＲＦ電力検出回路１８は、ＲＦ電源部１７と放電管３ａ、３ｂとの間でレーザ電源１５の内部に設けられ、放電管３ａ、３ｂの供給電力をモニタする。ＲＦ電力検出回路１８によって、高周波電力が低電圧に変換され、放電管３ａ、３ｂへの電力モニタ値がパルス指令制御回路１９にフィードバックされる。このＲＦ電力検出回路１８は、ＲＦ電源部１７の出力電圧値と、出力電流値の乗算回路で構成されているが、ＲＦ電源部１７の出力電圧と出力電流の電力モニタ値をそれぞれ検出して、パルス指令制御回路１９あるいはＣＰＵ１２にフィードバックしてから乗算処理を行い、電力モニタ値に変換しても同様の効果が得られる。

パルス指令制御回路１９は、レーザ電源１５とＣＰＵ１２との間に配置され、ＣＰＵ１２からの指令を受けてレーザ電源１５を制御する。パルス指令制御回路１９では、ＲＦ電力検出回路１８により検出された電力モニタ値を信号処理し、信号処理された電力モニタ値と図２に示す放電管温度と供給電力との関係から求められた供給電力の許容上限値Ｗとを比較し、電力モニタ値が許容上限値Ｗ以上となった場合に、放電管３ａ、３ｂへの電流指令をクランプし、電力モニタ値に代えて許容上限値Ｗに基づいてパルス出力指令が出される。

このため、レーザ電源１５から放電管３ａ、３ｂへの電力の供給によって放電管温度が破壊温度を超えることが防止されると共に、放電管破壊温度Ｔの限界までレーザ出力を上げることが可能となり、高品位で高能率の加工を行うことができる。

次に、図４に基づいて、本発明に係る高周波放電励起ガスレーザ発振器１Ａの第２の実施形態について説明する。本実施形態は、ＤＣ電源部１６とＲＦ電源部１７との間にＤＣ電力検出回路２０を設けている点で、ＲＦ電源部１７の下流側にＲＦ電力検出回路１８を設けている第１の実施形態と相違する。なお、本実施形態と第１の実施形態の同一構成部分には、同一符号を付して説明を省略する。

ＤＣ電力検出回路２０は、ＤＣ電源部１６から放電管３ａ、３ｂへの供給電力を検出し、電力モニタ値をパルス指令制御回路１９にフィードバックする。パルス指令制御回路１９は、ＤＣ電力検出回路２０により検出された電力モニタ値を信号処理し、信号処理された電力モニタ値と図２に示す放電管温度と供給電力との関係から求められた供給電力の許容上限値Ｗとを比較し、電力モニタ値が許容上限値Ｗ以上となった場合に、放電管３ａ、３ｂへの電流指令をクランプし、電力モニタ値に代えて許容上限値Ｗに基づいてパルス出力指令が出される。

ＤＣ電力はＲＦ電力に比べて、その動作周波数や動作電圧が低いため、電力検出回路２０が容易に構成できる利点がある。また、ＤＣ電力検出回路２０は、ＤＣ電源部１６の出力電圧値と出力電流値の乗算回路で構成されているが、ＤＣ電源部１６の出力電圧と出力電流の電力モニタ値をそれぞれ検出して、パルス指令制御回路１９あるいはＣＰＵ１２にフィードバックしてから乗算処理を行い、電力モニタ値に変換しても同様の効果が得られる

以上により、第１、２の実施形態によれば、高熱により放電管３ａ，３ｂなどの部品の損傷を防止することができると共に、従来の最大出力指令より高い指令領域を有効に活用することにより、比較的簡単な構成で、放電管３ａ，３ｂの破壊温度Ｔを超えない限界までパルス出力を高めることができる。これにより、高品位・高能率加工を安定して行うことが可能となる。

本発明に係る高周波放電励起ガスレーザ発振器の第１の実施形態を示す構成図である。 放電管温度と供給電力の関係を示す図である。 本発明に係る高周波放電励起ガスレーザ発振器の第１の実施形態を示す構成図である。 放電管温度とピーク出力指令値の関係を示す図である。

符号の説明

１，１Ａ 高周波放電励起ガスレーザ発振器
２ 発振器本体
３ａ，３ｂ 放電管
１５ レーザ電源
１６ ＤＣ電源部
１７ ＲＦ電源部
１８ ＲＦ電力検出回路（電力検出手段）
１９ パルス指令制御回路（パルス指令制御手段）
２０ ＤＣ電力検出回路（電力検出手段）

Claims (2)

1. パルス指令制御されるレーザ電源が放電管へ電力を供給する高周波放電励起ガスレーザ発振器において、
   前記レーザ電源と前記放電管との間に位置して、前記レーザ電源から前記放電管への供給電力を検出する電力検出手段と、
   前記レーザ電源の上流側に位置し、放電管温度と供給電力との関係から求められた供給電力の許容上限値と前記電力検出手段により検出された実際の前記供給電力とを比較して、該供給電力が前記許容上限値より高い場合に前記放電管へのパルス指令値を停止し、前記許容上限値に基づいてパルス指令値を設定するパルス指令制御手段と、
   を備えたことを特徴とする高周波放電励起ガスレーザ発振器。
2. パルス指令制御されるレーザ電源が直流電源部と高周波電源部とを有し、該高周波電源部が放電管へ電力を供給する高周波放電励起ガスレーザ発振器において、
   前記直流電源部と前記高周波電源部との間に位置し、前記直流電源部から前記放電管への供給電力を検出する電力検出手段と、
   前記直流電源部の上流側に位置し、放電管温度と供給電力との関係から求められた供給電力の許容上限値と前記電力検出手段により検出された実際の前記供給電力とを比較して、該供給電力が前記許容上限値より高い場合に前記放電管へのパルス指令値を停止し、前記許容上限値に基づいてパルス指令値を設定するパルス指令制御手段と、
   を備えたことを特徴とする高周波放電励起ガスレーザ発振器。

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