(57)【要約】【課題】短時間で放電開始を確実に判定できる判定機能を有するガスレーザ発振器を提供する。【解決手段】ガスレーザ発振器は、指令電圧を作成する制御装置と、指令電圧に従って、放電管に電力を供給するレーザ電源と、放電管に印加される電圧を検出する電圧検出部と、を具備する。また、制御装置は、ステップ状に増大する指令電圧に従って放電管に電力が供給されるときの、電圧検出部によって検出される電圧の変化の割合に基づいて、放電管における放電が開始されたか否かを判定する判定部をさらに備えている。判定部は、ステップ状に増大する指令電圧の、少なくとも最初の増大ステップを含む初期ステップの後に、放電管における放電が開始されたか否かを判定するように構成される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
指令電圧を作成する制御装置と、
前記指令電圧に従って、放電管に電力を供給するレーザ電源と、
前記放電管に印加される電圧を検出する電圧検出部と、を具備するガスレーザ発振器であって、
前記制御装置は、ステップ状に増大する指令電圧に従って前記放電管に電力が供給されるときの、前記電圧検出部によって検出される電圧の変化の割合に基づいて、前記放電管における放電が開始されたか否かを判定する判定部をさらに備えており、
前記判定部は、ステップ状に増大する前記指令電圧の、少なくとも最初の増大ステップを含む初期ステップの後に、前記放電管における放電が開始されたか否かを判定するように構成される、ガスレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電開始を判定する機能を有するガスレーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスレーザ発振器においては、放電管に高周波電力を供給することによって、放電管内に存在するレーザガスが励起される。放電が開始されていない状態で高い電圧を放電管に印加すると、レーザ電源と放電管との間のインピーダンスの整合がとれず、レーザ電源には過度に大きい電流が流れると共に、放電管には過度に大きい電圧が印加される場合がある。その結果として、レーザ電源又は放電管が破損したり、故障の防止を目的としてガスレーザ発振器が強制終了されたりする。
【０００３】
レーザを発生させる主放電とは別に、補助放電を行うための補助電極を備えたガスレーザ発振器が公知である。これは、レーザを出力するための主放電の前に補助放電を発生させることによって、放電開始時の一時的な電圧上昇を低減する効果を意図したものである。
【０００４】
特許文献１には、放電の開始を判定する判定部を具備するガスレーザ発振器が開示されている。この判定部は、電源からの出力指令に対する放電管の電圧の変化の割合と、放電管において放電が正常に行われているときのデータとを比較して、放電の開始を判定するように構成されている。
【０００５】
特許文献１に開示される方法は、ステップ状に増大する指令電圧が付与されるとともに、それに対する放電管の電圧を監視することによって、放電開始の判定を実行するものである。しかしながら、微弱な補助放電の場合、放電管の電圧の変化が著しく小さいので補助放電の開始を判定するのは困難であった。
【０００６】
図５は、レーザ電源ユニットに対する指令電圧ＣＶ’と放電管に印加される電圧Ｖ’との関係性を示すグラフである。「ＣＶ’１」は、補助放電が開始するときの指令電圧ＣＶ’の値を表しており、「ＣＶ’２」は、主放電が開始するときの指令電圧ＣＶ’の値を表している。図５のグラフから分かるように、主放電が開始する前後において、指令電圧ＣＶ’に対する印加電圧Ｖ’の変化の割合が著しく変化する。したがって、この印加電圧ＣＶ’の変化の割合を継続的にモニタすることによって、主放電の開始を判定することができる。一方、補助放電が開始する前後においては、印加電圧が実質的に変化しないので、補助放電が開始するタイミングを正確に判定するのは困難である。
【０００７】
図５からも分かるように、主放電を開始させるのに必要な指令電圧ＣＶ’２よりも小さい指令電圧ＣＶ’１において、補助放電が開始される。そこで、補助放電の開始を判定する代わりに、主放電の開始を判定することによって、少なくとも補助放電が既に開始されているか否かを判定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−２２２５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
例えば特許文献１に開示される関連技術においては、主放電の開始を判定するために、指令電圧がステップ状に増大するように、電源ユニットに対する指令電圧を切換える必要がある。このような指令電圧の切換直後は、モニタ回路の時定数に起因する時間遅れ、Ａ／Ｄ変換のタイミングに起因する時間遅れ、又はＣＮＣ（コンピュータ数値制御装置）の制御周期との関係に起因して、放電管の電圧値を安定的に検出できない。そのため、十分な長さ、例えば少なくとも２００ｍｓの待機時間を設定する必要があった。このような待機時間の経過前に放電開始の判定を実行すれば、放電管の印加電圧のモニタが正確に行えず、放電開始を誤判定する場合があった。
【００１０】
図６は、この関連技術に係るガスレーザ発振器による放電開始判定方法を説明するグラフである。図６のグラフにおいて、実線は、電源ユニットに対して付与される指令電圧ＣＶ’を表しており、四角は、所定のサンプリング周期毎に検出される放電管の印加電圧を表している。指令電圧ＣＶ’は、ランプ指令（ｒａｍｐ  ｃｏｍｍａｎｄ）に従って、Ｖ’１に到達するまでの時間ｔ１から時間ｔ２までの間にわたって（例えば数百ｍｓの時間にわたって）、指令電圧ＣＶ’が徐々に増大するように制御される。時間ｔ２において、指令電圧ＣＶ’は、放電開始の判定を実行するためのステップ指令に切換えられるが、前述した時間遅れ等の影響を排除する目的で、時間ｔ２から時間ｔ３までの待機時間が設定されている。待機時間は、ハードウェア構成によって異なるものの、概ね２００ｍｓ以上であり、放電開始の判定が遅延する要因になっていた。なお、図６の白色の四角は、印加電圧Ｖ’が安定的に得られないときのサンプリング値、すなわち待機時間内に含まれるサンプリング値を表している。
【００１１】
したがって、短時間で放電開始を確実に判定できる判定部を有するガスレーザ発振器が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様によれば、指令電圧を作成する制御装置と、前記指令電圧に従って、放電管に電力を供給するレーザ電源と、前記放電管に印加される電圧を検出する電圧検出部と、を具備するガスレーザ発振器であって、前記制御装置は、ステップ状に増大する指令電圧に従って前記放電管に電力が供給されるときの、前記電圧検出部によって検出される電圧の変化の割合に基づいて、前記放電管における放電が開始されたか否かを判定する判定部をさらに備えており、前記判定部は、ステップ状に増大する前記指令電圧の、少なくとも最初の増大ステップを含む初期ステップの後に、前記放電管における放電が開始されたか否かを判定するように構成される、ガスレーザ発振器が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成を備えるガスレーザ発振器によれば、ステップ状に増大する指令電圧の初期ステップの経過後に初めて放電開始の判定が実行される。それにより、指令電圧の切換に起因する誤判定を防止できるとともに、関連技術において放電開始を判定する前に要求されていた待機時間が解消され、放電開始の判定をより迅速に行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスレーザ発振器の全体構成を示す概略図である。
【図２】図１のガスレーザ発振器の一部の構成をより詳細に示す詳細図である。
【図３】本発明に係る放電開始判定方法の過程を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係るガスレーザ発振器による放電開始判定方法を説明するグラフである。
【図５】レーザ電源に対する指令電圧と放電管に印加される電圧との関係性を示すグラフである。
【図６】関連技術に係るガスレーザ発振器による放電開始判定方法を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図示される実施形態の構成要素は、本発明の理解を助けるために縮尺が適宜変更されている。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係るガスレーザ発振器１０の全体構成を示す概略図である。ガスレーザ発振器１０は、ガスレーザ発振器１０の動作を制御するＣＮＣ（コンピュータ数値制御装置）１２と、レーザ媒質であるガスを循環させるガス循環システム１４と、ガス循環システム１４の一部を形成する放電管２２ａ，２２ｂに設けられた電極（主電極２６、補助電極４６）に電力を付与する電力付与部１６と、ＣＮＣ１２及び電力付与部１６との間に介在するインタフェース部１８と、を具備している。
【００１７】
ガス循環システム１４は、連結ホルダ２０を介して互いに連結された第１の対の放電管２２ａと、それら放電管２２ａに対して並列に接続されていて合流部２４を介して互いに連結された第２の対の放電管２２ｂと、を有している。第１の対の放電管２２ａには、連結ホルダ２０とは反対側の端部において全反射鏡である第１の折返鏡２８と、部分反射鏡である出力鏡３０と、がそれぞれ設けられている。第２の対の放電管２２ｂには、合流部２４とは反対側の端部において全反射鏡である第２の折返鏡３２と、部分反射鏡であるリア鏡３４と、がそれぞれ設けられている。レーザ光を増幅するための光共振器の構成は、図示された例に限定されない。
【００１８】
ガス循環システム１４には、励起されて光を発生する性質を有するレーザ媒質であるレーザガスが満たされている。ガス循環システム１４は、ターボブロワ３６を有している。ターボブロワ３６は、吸引側において連結ホルダ２０又は合流部２４を介して各放電管２２ａ，２２ｂの一端に接続されるとともに、吐出側において、各放電管２２ａ，２２ｂの他端に接続されている。このターボブロワ３６によって、レーザガスは、図中の矢印によって示されるようにガス循環システム１４内を循環させられるようになっている。ターボブロワ３６の吸引側及び吐出側には、レーザガスを冷却する熱交換器３８，４０がそれぞれ設けられている。熱交換器３８，４０には、冷却水を供給する冷却水循環システム４２が接続されている。また、ガス循環システム１４には、レーザガスの圧力を制御する圧力制御システム４４が接続されている。
【００１９】
各放電管２２ａ，２２ｂの外周面には、互いに対向するように１対の主電極２６が形成されている。各放電管２２ａ，２２ｂは、これら主電極２６を介して電力付与部１６に接続されている。また、各放電管２２ａ，２２ｂには、軸線方向において主電極２６から離間した位置に補助電極４６がそれぞれ形成されている。これら主電極２６及び補助電極４６には、電源ユニット４８からマッチングユニット５０を介して高周波電力が供給されるようになっており、それにより、放電管２２ａ，２２ｂ内において放電が行われるようになっている。
【００２０】
ＣＮＣ１２は、図示されないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のハードウェア構成を有していて、各種演算処理を実行するとともに、予め定められる動作プログラムに従って、ガスレーザ発振器１０を制御する制御指令を出力するようになっている。特に、本発明に関連して、ＣＮＣ１２は、放電管２２ａ，２２ｂにおいて放電が開始されたか否かを判定する判定部５２を有している（図２）。通信ＩＣ（集積回路）５４は、ＣＮＣ１２と他の機能部との間において信号を伝達する作用を有する。図示される実施形態において、通信ＩＣ５４には、出力指令部５６及びモニタ部５８が接続されている。出力指令部５６は、通信ＩＣ５４を介してＣＮＣ１２から出力される制御指令に応じて、指令電圧信号を電力付与部１６の電源ユニット４８に出力する。インタフェース部１８のモニタ部５８は、電力付与部１６の各検出部（後述する）によって検出される電流及び電圧をモニタする作用を有する。
【００２１】
図２は、図１のガスレーザ発振器１０の一部の構成をより詳細に示す詳細図である。図示されるように、電力付与部１６の電源ユニット４８は、ＤＣ電源部６０と、ＲＦ電源部６２と、電流検出部６４と、を備えている。ＤＣ電源部６０は、出力指令部５６からの指令電圧信号と、マッチングユニット５０からフィードバックされる放電管２２ａ，２２ｂを通って流れる電流Ｉに対応する電流フィードバックと、に基づいて、直流電流を出力する。ＤＣ電源部６０から出力される直流電流は、ＲＦ電源部６２によって高周波の交流電力に変換される。
【００２２】
ＲＦ電源部６２から出力される高周波電力は、マッチングユニット５０に供給される。マッチングユニット５０は、出力指令部５６からの指令電圧信号に対応した電圧を放電管２２ａ，２２ｂに印加する。マッチングユニット５０は、放電管２２ａ，２２ｂに印加される電圧Ｖを検出する電圧検出部６６を有している。電源ユニット４８の電流検出部６４によって検出される電流信号は、ＤＣ電流モニタ部７０を介してモニタ部５８に入力される。また、マッチングユニット５０の電圧検出部６６によって検出される電圧信号は、ＲＦ電圧モニタ部７２を介してモニタ部５８に入力される。
【００２３】
ＤＣ電流モニタ部７０を介してＤＣ電源部６０から出力される直流電流の信号及びＲＦ電圧モニタ部７２から出力される放電管２２ａ，２２ｂの印加電圧Ｖの信号は、モニタ部５８のマルチプレクサ８０に入力される。マルチプレクサ８０からの出力信号は、Ａ／Ｄ変換部８２によってアナログ−デジタル変換されて通信ＩＣ５４に入力される。
【００２４】
ＣＮＣ１２の判定部５２は、放電管２２ａ，２２ｂにおいて放電が開始したか否かを判定する作用を有する。判定部５２が起動されると、出力指令部５６を介して入力される指令電圧に対する、放電管２２ａ，２２ｂに印加される電圧Ｖの変化の割合と、予め定められる閾値と、が比較される。図５に関連して前述したように、主放電が開始されると、指令電圧に対する印加電圧の変化の割合が顕著に小さくなる。したがって、電圧Ｖの変化の割合が所定の閾値よりも小さくなるときに主放電が開始されたと判定できる。判定部５２は、例えば特許文献１に記載されたものと同一内容の判定処理を行なってもよい。
【００２５】
続いて、図３及び図４を参照して、本発明の一実施形態に係る放電開始判定方法について説明する。図３は、放電開始判定方法の過程を示すフローチャートである。図４は、本発明の一実施形態に係るガスレーザ発振器による放電開始判定方法を説明するグラフである。
【００２６】
放電開始判定処理が実行されている間、電力付与部１６によって放電管２２ａ，２２ｂに付与される指令電圧ＣＶと、ハードウェア構成に応じて定まるサンプリング周期毎に放電管２２ａ，２２ｂに印加される印加電圧Ｖと、がモニタされる。図４において、実線は指令電圧ＣＶを表しており、黒色及び白色の四角は、検出される印加電圧Ｖを表している。
【００２７】
先ず、ステップＳ１において、ＣＮＣ１２によってランプ指令（ｒａｍｐ  ｃｏｍｍａｎｄ）が作成され、それにより指令電圧ＣＶが、限定されないものの、例えば一定の割合で増大するように制御される（時間ｔ１から時間ｔ２までの間）。ステップＳ１における指令電圧ＣＶを増大させる処理は、指令電圧Ｖが予め定められる電圧Ｖ１に達するまで継続される。具体的には、ステップＳ２において、指令電圧ＣＶが電圧Ｖ１に到達したか否かが判定される。指令電圧ＣＶが電圧Ｖ１に到達していないと判定された場合は、ステップＳ１に戻り、指令電圧ＣＶを増大する処理が継続される。なお、電圧Ｖ１は、補助放電が開始するときの電圧ＣＶ’１（図５参照）よりも大きく、かつ主放電が開始する電圧ＣＶ’２よりも小さくなるように設定される。ＣＶ’１及びＣＶ’２の値は、例えば実験を通して経験的に得られる設定値である。
【００２８】
ステップＳ２において、指令電圧ＣＶが電圧Ｖ１に到達したと判定されたら、ステップＳ３に進み、指令電圧ＣＶの切換が行われる。ステップＳ３において、指令電圧ＣＶは、所定の周期（Δｔ＝ｔ２２−ｔ２１）毎にステップ状に所定の電圧（ΔＣＶ)だけ増大するように制御されるステップ指令に切換えられる。
【００２９】
本実施形態に従って、ステップ指令に切換えられた直後の増大ステップ（時間ｔ２からｔ２１までの間）においては、ＣＮＣ１２の判定部５２による放電開始の判定が実行されない。具体的には、ステップＳ４において、指令電圧ＣＶが最初の増大ステップであるか否かが判定される。指令電圧ＣＶが最初の増大ステップであると判定された場合は、ステップＳ３に戻り、指令電圧ＣＶをステップ状に増大する処理が繰返される。このように最初の増大ステップにおいて、放電開始判定処理を見送る理由は、前述したように指令電圧ＣＶの切換直後において、印加電圧Ｖの検出値が安定的に得られないからである（安定的に得られないサンプリング値が図４において白色の四角で表されている）。
【００３０】
ステップＳ４において、指令電圧ＣＶが最初の増大ステップではないと判定された場合、ステップＳ５に進み、判定部５２が起動されて放電開始の判定が実行される。これは、２回目以降の増大ステップにおいては、指令電圧ＣＶの切換に伴って考慮されるべき印加電圧Ｖの安定的検出に対する影響が解消されていると考えられるからである。放電開始の判定は、前述したように、指令電圧ＣＶに対する印加電圧Ｖの変化の割合が、予め定められる所定の閾値よりも小さいか否かによって判定される。判定に利用される閾値は、正常に放電が行われている状態の放電管に対して取得されたデータに基づいて適宜決定され得る。
【００３１】
ステップＳ６において、放電開始が確認されたら、放電開始判定処理は終了される。放電開始が確認されない場合は、ステップＳ５に戻って放電開始判定処理が継続される。
【００３２】
本発明によれば、待機時間を設定することなくランプ指令からステップ指令に切換えられるようになる。そして、放電開始判定処理が実行されるまでのアイドル時間は、実質的に最初の増大ステップに対応する時間（図４の時間ｔ２から時間ｔ２１までの間）のみに短縮される。ステップ指令の増大ステップの周期Δｔは、印加電圧Ｖを検出するためのサンプリング周期（図４において、隣接する印加電圧Ｖの検出値の間隔に相当する時間）に応じて定まるものの、少なくとも１つの印加電圧Ｖの検出値が各増大ステップにおいて得られるように決定される。このように、放電開始判定を実行するためのアイドル時間は、放電管の電圧を検出するサンプリング周期に応じて増減するものの、２００ｍｓを超える待機時間を設定する必要があった関連技術に係るレーザガス発振器に比べてより迅速に放電開始の判定処理を実行できるようになる。
【００３３】
図３及び図４に関連して説明した放電開始判定処理において、２回目の増大ステップ以降から放電開始判定処理を実行する例について述べたが、最初の数回の増大ステップからなる初期ステップにおいて、放電開始判定処理を行わないように変更してもよい。
【００３４】
以上、本発明の例示的な実施形態を説明したが、他の実施形態及び変形例によっても本発明の意図される作用効果が得られることは当業者に自明である。特に、本発明の範囲を逸脱することなく前述した実施形態及び変形例の構成要素を削除ないし置換することが可能であるし、公知の手段をさらに付加することが可能である。また、本明細書において明示的又は暗示的に開示される複数の実施形態の特徴を任意に組合せることによっても本発明を実施できることは当業者に自明である。
【符号の説明】
【００３５】
１０    ガスレーザ発振器
１２    ＣＮＣ
１４    ガス循環システム
１６    電力付与部
１８    インタフェース部
２２ａ，２２ｂ    放電管
２６    主電極
４６    補助電極
５２    判定部
５６    出力指令部
５８    モニタ部
６４    電流検出部
６６    電圧検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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