(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザガスを収容するガス容器と、
前記ガス容器に供給するレーザガスのガス流量を、開度調節により調節可能なコントロールバルブと、
前記コントロールバルブの１次側と２次側の圧力を検知するガス圧センサと、
前記ガス容器からレーザガスを吸引排気する真空ポンプと、
前記ガス容器内のレーザガスの圧力を制御するガス圧制御部と、を備え、
前記ガス圧制御部は、前記１次側のガス圧と前記２次側のガス圧との差圧、前記コントロールバルブの開度、及び前記ガス容器内への供給ガス流量との関係を記憶した第１のデータテーブルと、前記２次側のガス圧及び排気ガス流量の関係を記憶した第２のデータテーブルとを備え、前記２次側の圧力を検出する装置により検出された２次側のガス圧値と設定ガス圧値の差に前記ガス容器の容積の値を乗算した値を一定時間で割ることで、該一定時間後に設定ガス圧に近づくために必要なガス量変化率を求め、該ガス量変化率と前記第１及び第２のデータテーブルから前記コントロールバルブの開度を求める、ガスレーザ発振器。
【請求項２】
前記ガス圧制御部は、ガス圧制御を開始してから、一定時間後に計算で予測されるガス圧値とモニタされるガス圧値の偏差に基づいて前記第１及び第２のデータテーブルのデータを補正するフィードバック制御によりガス圧を制御する、請求項１に記載のガスレーザ発振器。
【請求項３】
前記第１のデータテーブルのデータ又は前記第２のデータテーブルのデータの初期値からの補正量があらかじめ決めた範囲を超えた場合、ガス圧の制御方法を切替えるか、アラーム信号を外部に出力する、請求項２に記載のガスレーザ発振器。
【請求項４】
レーザ出力を変更する際に、ガス温度の上昇により生じる圧力増加分を予測し、予めその変化分を相殺するように前記コントロールバルブを制御する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスレーザ発振器。
【請求項５】
前記コントロールバルブの１次側にガス温度をモニタする装置を設け、前記コントロールバルブの１次側のガス温度を検知し、前記第１のデータテーブルの作成時の絶対温度と、前記コントロールバルブの１次側の絶対温度の比を該第１のデータテーブルに掛けることにより、該第１のデータテーブルのデータを補正する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスレーザ発振器。
【請求項６】
前記ガス容器内の温度をモニタする装置を設け、前記第１のデータテーブルと前記第２のデータテーブルの作成時の絶対温度と、前記ガス容器内の絶対温度の比を該第１のデータテーブルと該第２のデータテーブルにそれぞれ掛けることにより、該第１及び第２のデータテーブルを補正する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスレーザ発振器。
【請求項７】
前記ガス容器から前記真空ポンプにより、ガスを吸引する配管に排気ガス流量を変えられる排気バルブを設け、前記ガス容器内の圧力が設定値より大きい場合には、排気ガス流量を増加させる、請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスレーザ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザガス圧の制御機能を備えたガスレーザ発振器に関し、特には、従来のガス圧制御より高速なガス圧制御が可能なガスレーザ発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、ガスレーザ発振器においては、容器内のレーザガス圧を所望の値に制御してレーザ発振を行う。例えば特許文献１には、ガス槽のガス圧力を制御するガス圧力制御装置が開示されており、ここでは、ガス圧力指令値と放電管内の検出ガス圧力との差分信号から、積算信号と比例信号を計算して出力し、検出圧力が指令圧力に到達したときに積算値を再設定することにより、未定常状態の影響を受けずに応答性のよい制御が可能となるとされている。
【０００３】
また特許文献２には、処理ガスが供給される減圧状態の処理室で複数の処理工程を行う基板処理装置が開示されており、ここでは、複数の処理工程に対応する処理ガス圧を算出する演算テーブルを複数有する演算制御機構を用いることにより、短時間で連続的に処理ガス圧力を目標値に制御できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−３８１７９号公報
【特許文献２】特開２０１１−４４４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の制御ではガス圧をモニタし、その値がガス圧設定値に近づくようにコントロールバルブの操作電圧をＰＩＤ制御してガス圧を制御していた。すなわち、コントロールバルブの操作電圧指令を、設定ガス圧とガス圧モニタ値の差分の比例量と、差分の時間積分量、差分の時間微分量によって制御していた。しかし、従来制御では設定ガス圧とガス圧モニタ値を比較して、その時々における最適なコントロールバルブの開度指令を行うことができるわけではなく、ガス圧が減衰振動する状態になり、ガス圧が一定の範囲に収束するまでに要する時間が大きいという問題があった。
【０００６】
また、その他のガス圧制御方式として、コントロールバルブの開度のみで供給ガス流量を調整して圧力制御を行う場合、元圧の変動やガス配管の圧損の影響によりコントロールバルブの１次圧が変動し、所望の流量を得ることが困難であった。
【０００７】
レーザ出力の変更時など、ガス圧が変動する際にレーザガス圧がただちに所望のガス圧に収まらないと、レーザガスの放電が安定しないため、レーザ光出力の不安定を招くことになる。また、レーザ発振開始動作時には、ガス圧変更後、ガス圧がある一定範囲に達してから、レーザ発振が行われるため、ガス圧制御が遅いと、レーザ発振開始動作の遅延となる。これらの理由で、ガス圧の制御はより高速であることが望まれる。
【０００８】
特許文献１に記載の技術は、ＰＩ制御のガス圧制御において積分要素をリセットできるようにしたものであるが、ＰＩ制御であることには変わりがないので、設定ガス圧に制御するための最適なコントロールバルブの開度を常時得ることは難しい。
【０００９】
特許文献２に記載の技術は、基板処理装置において、基板処理の各プロセスにおける設定圧力に対して、最適なバルブ制御の演算テーブルをもつことで、各プロセスに対して最適なガス圧制御を行うものである。しかし、これはＰＩＤ制御を念頭に置いた制御であり、演算テーブルはＰＩＤ制御のための演算テーブルである。
【００１０】
そこで本発明は、従来の制御より高速なレーザガス圧制御を可能とするガスレーザ発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本願第１の発明は、レーザガスを収容するガス容器と、前記ガス容器に供給するレーザガスのガス流量を、開度調節により調節可能なコントロールバルブと、前記コントロールバルブの１次側と２次側の圧力を検知するガス圧センサと、前記ガス容器からレーザガスを吸引排気する真空ポンプと、前記ガス容器内のレーザガスの圧力を制御するガス圧制御部と、を備え、前記ガス圧制御部は、前記１次側のガス圧と前記２次側のガス圧との差圧、前記コントロールバルブの開度、及び前記ガス容器内への供給ガス流量との関係を記憶した第１のデータテーブルと、前記２次側のガス圧及び排気ガス流量の関係を記憶した第２のテーブルデータとを備え、前記２次側の圧力を検出する装置により検出された２次側のガス圧値と設定ガス圧値の差に前記ガス容器の容積の値を乗算した値を一定時間で割ることで、該一定時間後に設定ガス圧に近づくために必要なガス量変化率を求め、該ガス量変化率と前記第１及び第２のデータテーブルから前記コントロールバルブの開度を求める、ガスレーザ発振器を提供する。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、前記ガス圧制御部は、ガス圧制御を開始してから、一定時間後に計算で予測されるガス圧値とモニタされるガス圧値の偏差に基づいて前記第１及び第２のデータテーブルのデータを補正することによりガス圧をフィードバック制御する、レーザ発振器を提供する。
【００１３】
第３の発明は、第２の発明において、前記テーブルデータの初期値からの補正量があらかじめ決めた範囲を超えた場合、ガス圧の制御方法を切替えるか、アラーム信号を外部に出力する、ガスレーザ発振器を提供する。
【００１４】
第４の発明は、第１〜３のいずれかの１つの発明において、レーザ出力を変更する際に、ガス温度の上昇により生じる圧力増加分を予測し、予めその変化分を相殺するようにバルブを制御する、ガスレーザ発振器を提供する。
【００１５】
第５の発明は、第１〜４のいずれかの１つの発明において、コントロールバルブの１次側にガス温度をモニタする装置を設け、コントロールバルブの１次側のガス温度を検知し、前記第１のデータテーブルの作成時の絶対温度と、コントロールバルブの１次側の絶対温度の比を該第１のデータテーブルに掛けることにより、該第１のデータテーブルのデータを補正する、ガスレーザ発振器を提供する。
【００１６】
第６の発明は、第１〜５のいずれかの１つの発明において、ガス容器内の温度をモニタする装置を設け、前記第１のデータテーブルと前記第２のデータテーブルの作成時の絶対温度と、ガス容器内の絶対温度の比を該第１のデータテーブルと該第２のデータテーブルにそれぞれ掛けることにより、該第１及び第２のデータテーブルを補正する、ガスレーザ発振器を提供する。
【００１７】
第７の発明は、第１〜６のいずれかの１つの発明において、前記ガス容器から前記真空ポンプにより、ガスを吸引する配管に排気ガス流量を変えられる排気バルブを設け、前記ガス容器内の圧力が設定値より大きい場合には、排気ガス流量を増加させる、ガスレーザ発振器を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、コントロールバルブの２次側だけでなく、１次側にもガス圧センサを設け、バルブ差圧と開度に対するガス量変化率（＝供給ガス流量−排気ガス流量）のテーブルデータを記憶しておくことにより、逐次的に最適なガス量変化率となるバルブ開度制御を行うことができる。また、所望のガス量変化率となるバルブ開度の調整が可能となり、設定ガス圧に到達するために必要なガスの変化量を計算し、バルブを制御することで、従来のＰＩＤ制御では不可能な高速なガス圧制御が可能となる。
【００１９】
ガス温度の変化や、ガスの組成の誤差、コントロールバルブの経年劣化による開度の変化等が生じることにより供給ガス流量と排気ガス流量のテーブルデータと実際の流量との間に差が生じても、フィードバック制御によってテーブルデータを補正し、バルブ開度の適切な制御が可能となる。
【００２０】
テーブルデータの初期値からの補正量が予め定めた範囲を超えた場合に、制御方法の切替えやアラーム出力を行うことにより、ガス温度の変化や、ガスの組成の誤差、コントロールバルブの経年劣化による開度の変化等が生じても、ガス圧の制御やレーザ発振器の保護が可能となる。
【００２１】
ガス圧制御の際に生じる、ガス温度上昇に起因する応答遅延に対して、遅延時間分前の時点で、予測されるガス圧変動を相殺するようなバルブの制御を行うことにより、より高速なガス圧制御が可能となる。
【００２２】
供給ガスの温度変化により生じるガスの流量の誤差を補正することにより、供給ガスの温度が変化しても正確にガス流量を制御することが可能となる。
【００２３】
レーザの発振状態によりガス温度が変化しても、より正確に圧力を制御することが可能となる。
【００２４】
排気のためのバイパスバルブや、開度が可変のバルブを設けることで、必要な時のみ排気速度を大きくし、消費ガス量を抑えつつ、ガス圧が設定ガス圧より高い場合でもガス圧制御を速くできる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ発振器の主要部の概略構成を示す図である。
【図２】ＣＶ差圧と供給ガス流量との関係を示すグラフである。
【図３】容器内ガス圧と排気ガス流量との関係を示すグラフである。
【図４】ガス圧の制御方法の一例を説明するグラフである。
【図５】ガス圧の制御手順の一例を示すフローチャートである。
【図６】ガス圧の制御方法の他の例を説明するグラフである。
【図７】ガス圧の制御手順の他の例を示すフローチャートである。
【図８】ガス圧の制御方法のさらなる他の例を説明するグラフである。
【図９】本発明の第２の実施形態に係るレーザ発振器の主要部の概略構成を示す図である。
【図１０】図９の排気バルブのバルブ開度と、排気ガス流量との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガスレーザ発振器１０の主要部の概略構成を示す図である。レーザ発振器１０は、レーザガスを収容するガス容器１２と、図示しないレーザガス供給源からガス容器１２に供給すべきレーザガスのガス流量を、開度の変化により調節可能なコントロールバルブ（以下、ＣＶと略称する）１４と、ＣＶ１４の１次側（上流側）のレーザガス圧を検出する１次ガス圧センサ１６と、ＣＶ１４の２次側（下流側）のレーザガス圧を検出する２次ガス圧センサ１８（図示例ではガス容器１２内に配置）と、ガス容器１２からレーザガスを吸引排気する真空ポンプ２０と、ガス容器１２内のレーザガス圧を制御するガス圧制御部２２と、後述するデータテーブル記憶部２４とを備える。なおガス容器１２と真空ポンプ２０との間には、オリフィス２６を設けてもよい。
【００２７】
データテーブル記憶部２４は、ＣＶ１４の１次側のガス圧と２次側のガス圧との差圧（ＣＶ差圧）と、ＣＶ１４の開度と、ガス容器１２への供給ガス流量との関係を記憶した第１のデータテーブルと、ＣＶ１４の２次側（ガス容器１２内）のガス圧と、ガス容器１２からの排気ガス流量との関係を記憶した第２のテーブルデータとを記憶する。また制御部２２は、２次ガス圧センサ１８により検出された２次側のガス圧値と設定ガス圧値の差にガス容器１２の容積の値を乗算した値を一定時間で割ることで、該一定時間後に設定ガス圧に漸近するために必要なガス量変化率を求め、該ガス量変化率を得るためのバルブ開度を第１及び第２のデータテーブルに基づいて計算し、該バルブ開度となるようにＣＶ１４の開度を調節・制御する。
【００２８】
第１のデータテーブルは、１次ガス圧センサ１６及び２次ガス圧センサ１８を用いて、レーザガス供給時に採取されるデータにより生成できる。また、第２のデータテーブルは、容器１２からレーザガスを排気するときに２次ガス圧センサ１８を用いて採取されるデータから生成できる。なおデータテーブル記憶部２４は、第１及び第２のデータテーブルの生成機能も具備してもよいし、他の手段で生成したデータテーブルを記憶する機能のみを備えていてもよい。
【００２９】
図２は、ＣＶ１４からの流量の測定方法、及び所望の供給ガス流量を得る方法を説明する図である。ガス容器１２にＣＶ１４を通してレーザガスを充填する場合、ガス温度は一定であると仮定すれば、ＣＶ１４からの流量は、ＣＶ１４の１次側圧力と２次側圧力の差圧（ＣＶ差圧）と、バルブ開度とから一意的に決まる。また、バルブ開度が一定であれば、ガス流量はＣＶ差圧によって決まる。容積が既知のガス容器１２にバルブ開度一定でガスを充填するとき、図２の関係と、ＣＶ差圧とガス容器１２内のガス圧曲線の微分値から、あるバルブ開度に対するＣＶ差圧とガス供給量の関係を求めることができる。図２のように、複数のバルブ開度に対するＣＶ差圧とガス流量の関係を求めることで、任意のＣＶ差圧に対して、所望のガス流量を得るためのバルブ開度を求めることができる。なお図２において％はバルブ開度を表し、括弧内のＶは各開度に対応するＣＶ１４の操作電圧を表す。
【００３０】
ここで、ＣＶ１４として電磁コイル式のコントロールバルブを使用する場合は、内部で使用される鉄心の残留磁気分極の影響により、操作電圧に対するバルブ開度にヒステリシスが生じ得るが、ヒステリシスについては無視又は何らかの補正を行うものとする。一方、位置フィードバック制御を行うサーボモータを用いてバルブ開度を制御する場合は、バルブ開度を正確に制御でき、ヒステリシスの考慮は不要である。
【００３１】
図３は、ガス容器１２からの排気ガス流量の測定方法を説明する図である。ガス容器１２に設けた排気バルブからの排気ガス流量の測定は図２と同様に、ガス排気時の排気曲線の微分値とガス容器１２の容積から求められる。なお、排気バルブの１次側圧力は容器１２内のガス圧であり、２次側圧力は真空ポンプ２０の１次圧である。真空ポンプ２０の排気容量が大きい場合、２次側圧力は流量によらず一定と近似できる。すなわち、図３のように排気ガス流量はほぼ容器１２内のガス圧から一意的に決まると近似できる。
【００３２】
図４は、ガス圧の制御方法を説明する図であり、図５は該制御方法を説明するフローチャートである。容器内のガス量（ガス質量）の変化率は、供給ガス流量と排気ガス流量との差から求められる。なお供給ガス流量は図１で求められ、排気ガス流量は図２で求められる。容器内のガス圧Ｐの変化は、ガス量の変化率、ガス容器の容積及び気体の状態方程式から一意的に決まる。但し、ガス温度は一定と仮定する。容器内のガス量の所望の変化率を得るには、図３からその時点でのガス圧に対する排気ガス流量を求め、図２からその時点のＣＶ差圧に対して必要な供給ガス流量を得るために必要なバルブ開度を求め、該バルブ開度となるようにＣＶを制御する。
【００３３】
図４において、図２及び図３の供給ガス流量と排気ガス流量のテーブルデータから時間Ｔ（数ミリ秒〜数秒程度）後に最もガス圧設定値に近づくガス流量となるバルブ開度を計算で求め、該バルブ開度となるようにＣＶを制御する。このバルブ開度の計算とバルブ開度制御は、予め定めたガス圧モニタ周期ごとに繰り返される。
【００３４】
具体的には、先ず、現在の容器内ガス圧値と設定ガスＰ0との差を計算する（図５のステップＳ１）。例えば時刻Ｔaでは、容器内ガス圧Ｐ1と設定ガス圧Ｐ0との差はΔＰとなる。次に、ΔＴ1後に設定ガス圧Ｐ0となるガス量変化率Ａを計算し（図５のステップＳ２）、ガス容器内のガス圧と排気ガス流量のデータテーブルから、現在の排気ガス流量Ｂを計算する（図５のステップＳ３）。さらに、排気ガス流量がＢであるときにガス量変化率Ａとなるための供給ガス流量Ｃ（＝Ａ−Ｂ）を計算し（図５のステップＳ４）、ＣＶ差圧と供給ガス流量のデータテーブルから、最も供給ガス流量Ｃに近いガス供給量が得られるバルブ開度を求め、該バルブ開度となるようにＣＶを操作・制御する（図５のステップＳ５）。以降、所定のガス圧モニタ周期に相当する時間待機した後、ステップＳ１以降の処理を繰り返す（図５のステップＳ６）。
【００３５】
図４に示す例では、時刻ｔ＝Ｔa以前はバルブ開度が最大の状態であり、ｔ＝Ｔa以降はバルブの開度が最大未満である。また時刻ｔ＝Ｔa以降は、バルブ開度の制御周期間隔がΔＴ1に対してより短いほど、ガス圧Ｐを示すガス圧曲線は、以下の式（１）で表されるように指数関数に近い曲線となり、設定ガス圧値Ｐ0に漸近する。
Ｐ≒Ｐ0−（Ｐ0−Ｐ1）ｅｘｐ｛（Ｔa−ｔ）／ΔＴ1｝      （１）
【００３６】
図６は、バルブを開いてから一定時間経過後の計算上のガス圧と、実際のガス圧との間に差がある場合のフィードバック方法を説明する図であり、図７は該フィードバック方法を説明するフローチャートである。なお図７のステップＳ１１〜Ｓ１６までは図５のステップＳ１〜Ｓ６と同様でよいので、詳細な説明は省略する。
【００３７】
図７に示すように、ステップＳ１６の次のステップＳ１７において、処理開始からの経過時間が、供給ガス流量のデータテーブルを補正する周期として予め定めたΔＴ2の整数倍の時間であるかを判定し、整数倍でなければステップＳ１１に戻り、整数倍であればステップＳ１８に進む。ステップＳ１８では、ある基準時間（図６ではＴ0）からΔＴ2時間後の計算上のガス変化量ΔＤaに対する実際のガス変化量がΔＤbであり、さらにΔＴ2時間後の計算上の排気ガス量ΔＥaに対して、実際のガス圧に基づいて計算した排気ガス量をΔＥbとしたときに、計算上の供給ガス量ΔＳaを以下の式（２）により求め、ΔＴ2時間後に測定されたガス圧を基にして計算したガス供給量ΔＳbを、以下の式（３）により求める。
ΔＳa＝ΔＤa＋ΔＥa      （２）
ΔＳb＝ΔＤb＋ΔＥb      （３）
【００３８】
次に、ΔＳb／ΔＳaをΔＴ2周期毎に供給ガス流量のデータテーブルの値に乗算してテーブルデータを補正することにより、フィードバックを行う。ここで、ΔＴ2は図４のΔＴ1と等しくてもよいし、異なってもよい。
【００３９】
図８は、フィードバック方法の他の例を説明する図である。他のフィードバック方法として、基準時間Ｔ0に対してΔＴ2時間後の計算上のガス圧変化量ΔＰaに対し、実際のガス圧変化がΔＰbであった場合、供給ガス流量の差分（ΔＰb−ΔＰa）×Ｖ／ΔＴ2を供給ガス流量のデータテーブルの値に足して補正する。或いは他の補正の方法として、（ΔＰa／ΔＰb）を、供給ガス流量及び排気ガス流量のテーブルデータに掛けて補正してフィードバック制御してもよい。
【００４０】
ここで、ΔＴ2時間後における計算上のガス圧変化量ΔＰaの計算について説明する。バルブ開度の制御時間間隔をΔＴ3＝ΔＴ2／Ｎ（Ｎはある自然数）として、時刻Ｔにおいて計算したガス流量をＦ（Ｔ）とすると、ΔＴ3後のガス変化量はＦ（Ｔ）×ΔＴ3となるので、ΔＴ2後のガス変化量ΔＤは、以下の式（４）で表される。
ΔＤ＝ΣＦ（Ｔ0＋ｋ×ΔＴ3）×ΔＴ3    （ｋ＝０〜Ｎ）      （４）
ガス変化量ΔＤが求まれば、既知の容器の体積と気体の状態方程式を用いてガス圧変化量ΔＰaを求めることができる。なお、ガス温度は一定と近似する。
【００４１】
図９は、第２の実施形態に係るレーザ発振器１０′のハードウェア構成である。第２の実施形態が図１に記載した第１の実施形態と異なる点は、ガス容器１２と真空ポンプ２０との間の配管に、排気ガス流量を変えられる排気バルブ２８を設けたことであり、図示例では排気バルブ２８はオリフィス２６と並列に（オリフィス２６をバイパスするように）配置されている。排気バルブ２８により、容器１２内のガス圧が設定ガス圧より高い場合には、排気ガス流量を増加させることができ、これにより、消費ガス流量を抑えつつ、ガス圧制御を速くすることができる。
【００４２】
図１０は、図９の排気バルブ２８を可変バルブにした場合のバルブ開度と、排気ガス流量の関係を示すグラフである。なお排気バルブ２８はオリフィス２６と並列配置されているので、排気バルブ２８のバルブ開度が０％であっても、排気ガス流量はゼロとならない。
【００４３】
第１及び第２の実施形態において、制御部２２は、第１又は第２のテーブルデータの初期値からの補正量があらかじめ決めた範囲を超えた場合は、ガス圧の制御方法を切替えるか、アラーム信号を外部に出力するようにしてもよい。また制御部２２は、レーザ出力を変更する際に、ガス温度の上昇により生じる圧力増加分を予測し、予めその変化分を相殺するようにＣＶを制御してもよい。
【００４４】
ＣＶ１４の１次側にガス温度をモニタする装置（図示せず）を設け、ＣＶ１４の１次側のガス温度を検知し、第１のデータテーブルの作成時の絶対温度と、ＣＶ１４の１次側の絶対温度の比を第１のデータテーブルに乗算することにより、第１のデータテーブルのデータを補正するようにしてもよい。
【００４５】
また、ガス容器１２内の温度をモニタする装置（図示せず）を設け、第１のデータテーブルと第２のデータテーブルの作成時の絶対温度と、ガス容器１２内の絶対温度の比を第１のデータテーブルと第２のデータテーブルにそれぞれ乗算することにより、第１及び第２のデータテーブルを補正するようにしてもよい。
【００４６】
本願発明では、ＰＩ制御ではなく、設定ガス圧に到達するために必要なガス変化量を定量的に計算して制御を行うので、常時、最適なコントロールバルブの開度を得ることができ、ガス圧を高速に制御することが可能である。また本願発明はＰＩＤ制御でもなく、ガスの流量を定量的に制御し、ガス圧を制御するものである。
【００４７】
以上、述べてきたように、ＣＶから供給されるレーザガスの流量は、ガス温度が一定であると近似すれば、ＣＶの１次圧と２次圧の差圧、及びＣＶの開度で決まるので、本発明では予め、ＣＶの開度及び差圧とガス流量との関係をテーブルデータとして用意・記憶しておく。また、排気ポンプの排気容量と排気弁までの配管径が十分大きく、ガス温度が一定であると近似すれば、排気弁から排気されるガス流量は近似的にガス容器内の圧力で決まるので、容器内ガス圧と排気ガス流量との関係をテーブルデータとして用意・記憶しておく。この２つのテーブルデータを用いることにより、所望のガス量の変化率（＝供給ガス流量−排気ガス流量）を得るために必要なバルブの開度を求めることができる。
【００４８】
ここで、供給ガス流量は、ガス温度が一定であると近似すれば、排気を行わないでガス供給のみを行う場合のガス圧（２次圧）変化曲線の微分値と容器の容積から求めることができる。また、複数のバルブ開度において、１次圧と２次圧の時間変化の測定を行えば、バルブ開度に対するガス供給量のテーブルデータを作成できる。また、排気ガス流量は、上記と同様にガスの供給を行わないで、ガスの排気のみを行う場合のガス圧曲線の微分値と容器の容積から求めることができ、ガス圧に対する排気ガス流量のテーブルデータを作成可能である。これらのデータはコンピュータ等を用いて自動で測定し、自動でテーブルデータを作成することも可能である。なお、テーブルデータの隣り合うデータの間は直線や適当な曲線、若しくは、３次元座標で表した場合には、平面や適当な曲面により補間するものとする。
【００４９】
ガス圧制御は、現在のガス圧と設定ガス圧の差に対して、一定時間後に最もガス圧設定値に近づくガス変化率となるコントロールバルブ開度をテーブルデータから計算で求め、バルブ開度を制御する。この計算・及びコントロールバルブの制御をガス圧のモニタ周期ごとに行うことで、ガス圧を高速に制御することができる。
【００５０】
なお、計算で予測される一定時間後のガス圧とモニタされる実際のガス圧との偏差量を供給ガス流量と排気ガス流量のテーブルデータにフィードバックして制御することや、直接コントロールバルブ開度にフィードバックして制御することもできる。この際、フィードバック値が予め定めておいた範囲から逸脱した場合、何らかの部品故障や、異常と判断してアラーム状態としても良いし、従来のＰＩＤ制御に切り替えてもよい。
【００５１】
また、一般的に、制御部からのバルブの制御指令に対して、実際にガス圧が変化するまでには、通信遅延やその他、応答遅れの要因がある。フィードバック制御する場合、その遅延を考慮して制御すると、さらに正確な制御が可能となる。また、レーザ出力変更時のガス温度の変化に伴うガス圧の変化など、事前にガス圧変動幅が予測される場合、所望のガスの変化率を得るために必要なバルブの開度が分かるので、応答遅れを考慮して、予め、予測されるガス圧変化分を相殺するようにガス変化率を調整するようにフィードフォワード制御することも可能である。
【００５２】
排気弁の開度が固定の場合、排気弁の開度が大きいと、排気速度は大きいが、ガス圧を一定に保つためには、供給ガス流量を多くする必要があり、レーザ発振器の消費ガス量が多くなる問題がある。逆に、排気弁の開度を小さく設定すると、レーザ発振器の消費ガス量は小さくなるが、排気速度が小さい為、設定ガス圧よりガス圧が大きい場合、設定ガス圧に到達するまでの時間を多く要する問題がある。排気バルブの開度も可変とすれば、必要な時のみ排気速度を大きくすることで、消費ガス量を抑えつつ、ガス圧が設定ガス圧より高い場合でもガス圧制御を速くできる。
【符号の説明】
【００５３】
１０、１０’    レーザ発振器
１２    ガス容器
１４    コントロールバルブ
１６    １次ガス圧センサ
１８    ２次ガス圧センサ
２０    真空ポンプ
２２    制御部
２４    データテーブル記憶部
２６    オリフィス
２８    排気バルブ
【図１】
0005758740.tif 000002
【図２】
0005758740.tif 000003
【図３】
0005758740.tif 000004
【図４】
0005758740.tif 000005
【図５】
0005758740.tif 000006
【図６】
0005758740.tif 000007
【図７】
0005758740.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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