(57)【要約】【課題】通常運転状態のフィードバック制御では不要な制限なしに最適な電流制御が行われ、何らかの原因で放電開始が遅れたり行われなかったとしても、放電管に印加される電圧が一定以下に抑えられて異常に昇圧されないようにする。【解決手段】本開示のガスレーザ発振装置は、電圧制御信号の値によって出力電圧を制御して放電管に電圧を印加する電圧発生装置と、放電管への電圧印加によって発生した放電電流を検出し、当該放電電流に比例した電圧値を出力する電流検出器と、放電電流の目標値に対応する電圧値を設定する目標値設定部と、電流検出器の出力信号と目標値設定器の出力信号の差分を増幅する差動増幅器と、差動増幅器の出力信号と目標値設定器の出力信号を加算する加算器と、加算器の出力信号を入力とし、放電電流が検出されるまでの期間は所定の値を超えないように制限して電圧制御信号を出力するリミッタを備えている。【選択図】図１
2017069561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ媒質ガスを内部に有する放電管に電圧を印加してレーザ出力を得るガスレーザ発振装置であって、
電圧制御信号の値によって出力電圧を制御して前記放電管に電圧を印加する電圧発生装置と、
前記放電管への電圧印加によって発生した放電電流を検出し、当該放電電流に比例した電圧値を出力する電流検出器と、
前記放電電流の目標値に対応する電圧値を設定する目標値設定部と、
前記電流検出器の出力信号と前記目標値設定部の出力信号の差分を増幅する差動増幅器と、
前記差動増幅器の出力信号と前記目標値設定部の出力信号を加算する加算器と、
前記加算器の出力信号を入力とし、前記放電電流が検出されるまでの期間は所定の値を超えないように制限して前記電圧制御信号を出力するリミッタとを備えたガスレーザ発振装置。
【請求項２】
前記リミッタの出力を制限する所定の値として第１の電圧値と第２の電圧値を設け、
前記第１の電圧値に対して前記第２の電圧値を大きく設定し、
レーザ照射を指令する信号のスタートから所定の時間は前記第２の電圧値で出力値を制限し、以降は第１の電圧値に切り替える請求項１に記載のガスレーザ発振装置。
【請求項３】
前記電圧発生装置の電力を供給する駆動電源の電圧を検出する検出部を設け、
検出した前記駆動電源の電圧の値が増加した場合は、前記第２の電圧値を減少させ、
検出した前記駆動電源の電圧の値が減少した場合は、前記第２の電圧値を増加させる請求項２に記載のガスレーザ発振装置。
【請求項４】
前記電圧発生装置の電力を供給する駆動電源の電圧を検出する検出部を設け、
検出した前記駆動電源の電圧の値が増加した場合は、前記第２の電圧値で出力値を制限する前記所定の時間を減少させ、
検出した前記駆動電源の電圧の値が減少した場合は、前記第２の電圧値で出力値を制限する前記所定の時間を増加させる請求項２または３に記載のガスレーザ発振装置。
【請求項５】
前記リミッタは、前記放電電流が検出された後、前記放電電流が検出されなくなる毎に、再度前記放電電流が検出されるまでの期間は所定の値を超えないように制限して前記電圧制御信号を出力する請求項１に記載のガスレーザ発振装置。
【請求項６】
前記リミッタは、前記放電電流が検出された後、前記放電電流が検出されなくなる毎に、再度前記放電電流が検出されるまでの期間において、前記電圧制御信号を、前記放電電流が検出されなくなって所定の時間後から所定の時間の間は前記第２の電圧値で、それ以外の間で前記第１の電圧値で制限して出力する請求項２〜４に記載のガスレーザ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ＫＷクラスの軸流型ガスレーザ発振装置に関し、特に、ガスレーザ発振装置に用いられる高圧発生部の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＫＷクラスの大出力のレーザ加工には、炭酸ガス等、ガス状のレーザ媒質を用いるガスレーザ発振装置が使用されてきた。ガスレーザ発振装置において、レーザ媒質を励起するためには、数十ＫＶもの高電圧でレーザ媒質内で放電を発生させる必要がある。また、安定したレーザ出力を得るためには放電電流の安定も重要である。
【０００３】
そこで、放電用の電極に電圧を印加する電圧発生装置には、出力電圧を可変に昇圧制御する電源装置を用いて、さらに、放電電流フィードバック機能と組み合わせることで、放電電流の安定化を図っている。
【０００４】
しかしながら、放電電極の経年変化等の原因で放電開始が遅れると、放電電流フィードバックの目標値は入力されているにもかかわらず放電電流が流れていない時間が長くなるため、出力電圧が所定電圧以上に高くなる異常が発生する。
【０００５】
この課題に対する従来技術の一例を図を用いて説明する。図１５は従来技術に係るレーザ発振装置の主要部の構成を示すブロック図である。従来、本図に示すような放電電流フィードバック機能を有するレーザ発振装置が用いられていた。
【０００６】
レーザ媒質ガスを内部に有する放電管９０１はガラスなどの誘電体からなり、レーザ触媒ガスを放電励起するために電極９０３を介して電圧発生装置９０４より適宜可変した電圧を印加する。放電管９０１内のレーザ媒質ガスへの電圧印加によって発生した放電電流は放電電流検出器９０５により検出される。
【０００７】
所望のレーザ出力に対応した放電電流となるように放電電流目標値を目標値設定器９０６で設定し、放電電流検出器９０５からの信号と、目標値設定器９０６からの信号の差分を演算し制御系の応答性に応じて増幅する差動増幅器９０７で偏差信号として取り出す。
【０００８】
差動増幅器９０７からの偏差信号と、目標値設定器９０６からの放電電流目標値を加算する加算器９０８よりの信号を、電圧発生装置９０４に与え、放電電流を所望のレーザ出力に対応した値になるように、レーザ媒質に印加する電圧を可変し放電電流をフィードバック制御する機能を有している。
【０００９】
レーザ出力の開始時に、前記放電電流目標値設定器は、前記高電圧電源の回路定数およびレーザ媒質ガスに依存する無放電状態から放電するまでに要する放電開始電圧へ上昇するに至るまでの予め設定された立ち上がり時間の間、放電電流の目標値を設定して前記高電圧電源より電圧を出力する。
【００１０】
その後、高電圧電源の回路定数およびレーザ媒質ガスに依存する放電を維持するための放電維持電圧まで低下するに至るまでの予め設定された立下り時間の間、放電電流の目標値をゼロと設定して前記高電圧電源の電圧の出力を停止する。
【００１１】
その後、放電電流目標値設定器は放電電流の目標値を設定して高電圧電源からの電圧出力を再開して、放電電流を所望のレーザ出力に対応した値になるように放電電流をフィードバック制御する（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１１−１２９７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来技術に係るガスレーザ発振装置では、最初の昇圧時の放電の失敗に対応はできても、当該技術だけでは、電圧出力を再開した後の放電失敗に対しての信頼性の保証がされていない。
【００１４】
何らかの原因、例えば、電極の皮膜等が原因で放電が行われなかった場合は、従来技術の構成では、２度目以降も放電が行われず、引続きの目標値設定で耐圧の限界値に達してしまう。これは、ゼロにする回数を増やしたところで、耐圧限界に達するタイミングが遅れるだけで問題の解決には至らない。
【００１５】
そこで本開示は、以上の問題を解決し、通常運転状態のフィードバック制御では不要な制限なしに最適な電流制御が行われ、何らかの原因で放電開始が遅れたり行われなかったとしても、放電管に印加される電圧が一定以下に抑えられて異常に昇圧されないようにすることができるガスレーザ発振装置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】
【００１６】
上記課題を解決するために、本開示に係るガスレーザ発振装置は、レーザ媒質ガスを内部に有する放電管に電圧を印加してレーザ出力を得るガスレーザ発振装置であって、電圧制御信号の値によって出力電圧を制御して前記放電管に電圧を印加する電圧発生装置と、前記放電管への電圧印加によって発生した放電電流を検出し、当該放電電流に比例した電圧値を出力する電流検出器と、前記放電電流の目標値に対応する電圧値を設定する目標値設定部と、前記電流検出器の出力信号と前記目標値設定部の出力信号の差分を増幅する差動増幅器と、前記差動増幅器の出力信号と前記目標値設定部の出力信号を加算する加算器と、前記加算器の出力信号を入力とし、前記放電電流が検出されるまでの期間は所定の値を超えないように制限して前記電圧制御信号を出力するリミッタとを備えたものである。
【発明の効果】
【００１７】
上記の構成により、本開示に係るガスレーザ発振装置では、放電電流を制御する電圧発生装置のフィードバック制御系に、所定のリミット値波形を有し、放電開始までは当該リミット値で電圧制御信号を制限するリミッタを設けることで、放電開始までは電圧制御信号の最大値が制限されるが、放電開始以降は制限が解除されるので、通常運転状態のフィードバック制御では不要な制限なしに最適な電流制御が行われ、何らかの原因で放電開始が遅れたり行われなかったとしても、放電管に印加される電圧が一定以下に抑えられて異常に昇圧されないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本開示の第１の実施形態に係るガスレーザ発振装置の主要部の構成を示すブロック図
【図２】本開示の第１の実施形態に係る放電電流フィードバック系の信号の第１の状態を示すタイミングチャート
【図３】本開示の第１の実施形態に係る放電電流フィードバック系の信号の第２の状態を示すタイミングチャート
【図４】本開示の第２の実施形態に係るガスレーザ発振装置の主要部の構成を示すブロック図
【図５】本開示の第２の実施形態に係る放電電流フィードバック系の信号の第１の状態を示すタイミングチャート
【図６】本開示の第２の実施形態に係る放電開始電圧と電圧上昇率との相関を示すグラフ
【図７】本開示の第２の実施形態に係る放電電流フィードバック系の信号の第２の状態を示すタイミングチャート
【図８】本開示の第２の実施形態に係る駆動電源の電圧と第２のリミット値との相関を示すグラフ
【図９】本開示の第２の実施形態に係る駆動電源の電圧と第２のリミット値を出力する時間との相関を示すグラフ
【図１０】従来技術に係る放電部を複数配置したレーザ発振装置の主要部の構成を示すブロック図であり、（ａ）は正常時のブロック図、（ｂ）は異常時のブロック図
【図１１】本開示の第３の実施形態に係るガスレーザ発振装置の主要部の構成を示すブロック図
【図１２】本開示の第３の実施形態に係る放電電流フィードバック系の信号の第３の状態を示すタイミングチャート
【図１３】本開示の第４の実施形態に係るガスレーザ発振装置の主要部の構成を示すブロック図
【図１４】本開示の第４の実施形態に係る放電電流フィードバック系の信号の第３の状態を示すタイミングチャート
【図１５】従来技術に係るレーザ発振装置の主要部の構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。
【００２０】
（実施の形態１）
＜ガスレーザ発振装置の主要構成＞
図１は本開示の第１の実施形態に係るガスレーザ発振装置の主要部の構成を示すブロック図である。本開示のガスレーザ発振装置１００を図１に沿って説明する。
【００２１】
この図に於いて、レーザ媒質ガスを内部に有する放電管１０１はガラスなどの誘電体からなり、銅などの金属を使用した電極１０２、１０３を備える。レーザ媒質ガスを励起するために、電極に電圧発生装置１２０より高電圧を印加して放電を開始させる。放電管１０１内の電極１０２、１０３間に挟まれた空間が放電空間１０５である。
【００２２】
全反射鏡１０６、部分反射鏡１０７は、放電空間１０５の両端に平行に向かい合って固定配置され、共振器部１０８を形成している。レーザビーム１０９は部分反射鏡１０７より出力される。
【００２３】
本開示のガスレーザ発振装置１００では、加工品質を向上させるため、所望のレーザ出力を安定して取り出せるように放電電流のフィードバック制御機能を有している。
【００２４】
放電管１０１内のレーザ媒質ガスへの電圧印加によって発生した放電電流は、電流検出器１１０により検出される。電流検出器１１０は、例えばホール効果を利用した電流−電圧変換器などを用いて、電流に比例した電圧値を放電電流検出信号５０３として出力する。
【００２５】
照射司令部１２１は、照射指令信号５０１を出力してガスレーザ発振装置１００のレーザ出力と照射するタイミングを決める。目標値設定部１２２は、照射指令信号５０１を検出して予め設定された放電電流の目標値に対応する目標値信号５０２を出力する。目標値信号５０２は、電流検出器１１０の電圧ー電流の逆関係になる電圧値信号である。
【００２６】
電流検出器１１０からの放電電流検出信号５０３と目標値設定部１２２からの目標値信号５０２の差分を差動増幅器１２３で演算し、制御系の応答性に応じて増幅する。差分は放電電流検出信号５０３を負とする。差動増幅器１２３は、例えばオペアンプなどを用いて構成されている。差動増幅器１２３は増幅した差分信号を差動増幅信号５０４として出力する。
【００２７】
加算器１２４は、差動増幅器１２３からの差動増幅信号５０４と、目標値設定部１２２からの目標値信号５０２を加算する。加算器１２４は、例えばオペアンプなどを用いて構成されている。加算器１２４より出力された加算器出力信号５０５は、リミッタ１４０に出力される。
【００２８】
リミッタ１４０は、加算器１２４より出力される加算器出力信号５０５を入力信号とし、電流検出器１１０が放電電流を検出するまでの期間は予め設定しておいた所定のリミット値ＶＬを超えないように電圧値を制限して、電圧発生装置１２０に対して電圧制御信号５０６として出力する。リミッタ１４０は、電流検出器１１０が放電電流を検出した後は、入力信号と同値の信号を電圧制御信号５０６として出力する。
【００２９】
電圧発生装置１２０は、入力される電圧制御信号５０６の値によって出力電圧を制御する。電圧発生装置１２０は、主要な構成として、高電圧コントローラ１０４と、昇圧トランス１３６と、駆動電源１３５を備えている。
【００３０】
高電圧コントローラ１０４は、電圧制御信号５０６の値に応じて出力をスイッチングして昇圧トランス１３６に供給する。昇圧トランス１３６は放電開始と放電維持に十分な電圧まで昇圧し、付属のダイオードとコンデンサなどを有する回路で高電圧の直流電力を放電管１０１の電極１０２に供給する。トランス出力電圧５０７は約数十ＫＶである。キロワット級のレーザ出力を得る放電管の場合の一例を挙げると、放電開始に３０〜５０ＫＶ、放電維持に２５〜３０ＫＶ、必要耐圧として６０〜８０ＫＶ程度である。
【００３１】
上述の電圧制御と昇圧に必要な電力は駆動電源１３５から供給される。駆動電源１３５は十分に電力容量を持った独立の電源装置を設置している。
【００３２】
以上のように、放電電流の大きさは電圧発生装置１２０の電圧制御信号５０６にフィードバックされている。これにより、放電電流は、目標値信号５０２に対応した電流値に制御され、所望のレーザ出力を安定して取り出せるようになる。
【００３３】
＜ガスレーザ発振装置の動作＞
以上のように構成された本開示のガスレーザ発振装置のフィードバック制御動作について図面を用いて説明する。
【００３４】
図２は本開示の第１の実施形態に係る放電電流フィードバック系の信号の第１の状態を示すタイミングチャートである。各々のグラフの横軸は時間の経過を示す。尺度は説明用のため実際に対し適宜伸縮させている。ただし、複数のグラフで同じタイミングに相当するところは、グラフ間をまたがって同一の線で該当する箇所を示している。縦軸は各信号のレベルを示す。グラフ間の尺度は必ずしも一致はしていない。
【００３５】
外部からレーザ出力発振指令が入力させると、照射司令部１２１から照射指令信号５０１が立つ。照射指令信号は、ＯＮとＯＦＦの２値信号である。目標値設定部１２２は照射指令信号５０１を受けて、設定されたレーザ出力値に応じた目標値指令値Ｖｔの目標値信号５０２を出力する。照射指令信号５０１のＯＮへの立上り時点では放電は発生していないので、放電電流検出信号５０３は無信号（０レベル）である。
【００３６】
差動増幅器１２３では、目標値信号５０２と放電電流検出信号５０３の差を演算する。目標値信号５０２を正、放電電流検出信号５０３を負としている。演算された差分を予め設定された一定倍に増幅して差動増幅信号５０４を出力する。放電開始前は検出信号は０レベルであるので、目標値信号５０２の一定数倍の信号値になろうとする。しかしながら、フィードバックゲインを十分に取ると、一方の信号が０レベルの場合、増幅器の最大出力値Ｖｍに張り付いている。
【００３７】
加算器１２４は差動増幅信号５０４と目標値信号５０２を足し合わせて加算器出力信号５０５としてリミッタ１４０へ出力する。放電開始前は差動増幅信号５０４の最大出力値Ｖｍと目標値指令値Ｖｔを加算した値の信号を出力している。
【００３８】
リミッタ１４０は、電流検出器１１０で放電電流を検出するまでの間は、あらかじめ設定されたリミット値ＶＬ以上の信号が入力されても、リミット値ＶＬ以上の信号が高電圧コントローラ１０４に出力されないように制御する。
【００３９】
高電圧コントローラ１０４はリミッタ１４０から出力される信号の大きさに応じて、昇圧トランス１３６の出力を変化させるように制御する。放電開始前では放電電流のフィードバックがなされていないので、電圧制御信号５０６のリミット値ＶＬで定まる電圧を、オープンループで発生するように電圧発生装置１２０は動作する。
【００４０】
しかし、高圧発生までには時定数が存在するため、トランス出力電圧５０７は徐々に上昇する。そして、トランス出力電圧５０７が放電開始電圧に達すると、放電管１０１内で放電が開始する。係る電圧をグラフでは第１の放電開始電圧Ｖａ１として示している。放電開始までの時間は、異常がなければ、約２００μｓ〜３００μｓ程度である。
【００４１】
放電が開始すると放電電流に応じた電圧値で放電電流検出信号５０３が立ち上がる。差動増幅信号５０４は、最大出力値Ｖｍから差分を増幅した値に変わる。それに応じて加算器出力信号５０５も値が変わる。さらに、リミッタ１４０のリミット値ＶＬに制限する制御も終了し、電流検出器１１０が放電電流を検出した後は、入力信号と同値の信号を電圧制御信号５０６として出力する。
【００４２】
電圧制御信号５０６は、放電電流検出信号５０３が大きくなると減少し、放電電流検出信号５０３が小さくなると増大する。結果、差動増幅器１２３の増幅度が十分大きければ、放電電流検出信号５０３の値が目標値信号５０２の値に漸近し安定していく。同時にトランス出力電圧５０７も放電維持電圧Ｖｂに安定していく。
【００４３】
次に、照射指令信号５０１がＯＮになりトランス出力電圧５０７が増大していっても、何らかの異常があって放電を開始しない場合の状況を、上述と同様の図を用いて説明する。
【００４４】
図３は本開示の第１の実施形態に係る放電電流フィードバック系の信号の第２の状態を示すタイミングチャートである。図２と同様に、各々のグラフの横軸は時間の経過を示す。尺度は説明用のため実際に対し適宜伸縮させている。ただし、複数のグラフで同じタイミングに相当するところは、グラフ間をまたがって同一の線で該当する箇所を示している。縦軸は各信号のレベルを示す。グラフ間の尺度は必ずしも一致はしていない。
【００４５】
外部からレーザ出力発振指令が入力させると、照射司令部１２１から照射指令信号５０１が立つ。目標値設定部１２２は照射指令信号５０１を受けて、設定されたレーザ出力値に応じた目標値指令値Ｖｔの目標値信号５０２を出力する。照射指令信号５０１のＯＮへの立上り時点では放電は発生していないので、放電電流検出信号５０３は無信号（０レベル）である。
【００４６】
差動増幅器１２３では、放電開始前は検出信号は０レベルであるので、目標値信号５０２の一定数倍の信号値になろうとする。しかしながら、一方の信号が０レベルであるので増幅器の最大出力値Ｖｍに張り付いている。
【００４７】
加算器１２４は差動増幅信号５０４と目標値信号５０２を足し合わせて加算器出力信号５０５としてリミッタ１４０へ出力する。放電開始前は差動増幅信号５０４の最大出力値Ｖｍと目標値指令値Ｖｔを加算した値の信号を出力している。
【００４８】
リミッタ１４０は、電流検出器１１０で放電電流を検出するまでの間は、あらかじめ設定されたリミット値ＶＬ以上の信号が入力されても、リミット値ＶＬ以上の信号が高電圧コントローラ１０４に出力されないように制御する。
【００４９】
高電圧コントローラ１０４はリミッタ１４０から出力される信号の大きさに応じて、昇圧トランス１３６の出力を変化させるように制御する。放電開始前では放電電流のフィードバックがなされていないので、電圧制御信号５０６のリミット値ＶＬで定まる電圧を、オープンループで発生するように電圧発生装置１２０は動作する。
【００５０】
トランス出力電圧５０７は徐々に上昇する。電圧が上昇しても、もし何らかの理由で点弧ミスを生じて放電電流が流れない場合は、トランス出力電圧５０７は電圧制御信号５０６のリミット値ＶＬで定まる電圧まで上昇する。当該電圧を高圧到達値Ｖｃとし、高圧回路系の耐圧限界値Ｖｄより小さくなるようにリミット値ＶＬを設定しておけば、放電管に印加される電圧が一定以下に抑えられて異常に昇圧されないようにすることができる。
【００５１】
なお、リミッタ１４０のリミット値ＶＬに制限する制御は、放電を開始した後は終了するので、通常運転状態のフィードバック制御では不要な制限なしに最適な電流制御が行われる。
【００５２】
本開示の構成要素のリミッタ１４０がない場合のトランス出力電圧５０７の推定される変移を破線で示す。係る場合は、電圧制御信号５０６として差動増幅器１２３の最大出力値Ｖｍを超える値が与えられるため、短時間で耐圧限界値Ｖｄに達してしまう。
【００５３】
以上に述べたように、本実施の形態のガスレーザ発振装置によれば、放電電流を制御する電圧発生装置のフィードバック制御系に、所定のリミット値波形を有し、放電開始までは当該リミット値で電圧制御信号を制限するリミッタを設けることで、放電開始までは電圧制御信号の最大値が制限されるが、放電開始以降は制限が解除されるので、通常運転状態のフィードバック制御では不要な制限なしに最適な電流制御が行われ、何らかの原因で放電開始が遅れたり行われなかったとしても、放電管に印加される電圧が一定以下に抑えられて異常に昇圧されないようにすることができる。
【００５４】
（実施の形態２）
本開示のガスレーザ発振装置の第２の実施形態について、図を用いて説明する。第１の実施形態と説明が重複する点については簡略化、あるいは省略し、異なる箇所について説明するものとする。また、符号については同一構成については同一の番号を付している。
【００５５】
＜ガスレーザ発振装置の主要構成＞
図４は本開示の第２の実施形態に係るガスレーザ発振装置の主要部の構成を示すブロック図である。本図に示す構成と図１に示す構成の違いは、リミッタ２４０の動作と、リミッタ２４０のリミット値を制御するリミット値生成部１３０にある。
【００５６】
本開示のガスレーザ発振装置２００を図４に沿って説明する。
【００５７】
この図において、共振器部１０８を構成する、放電管１０１と、電極１０２、１０３と、放電管１０１内の放電空間１０５と、全反射鏡１０６と、部分反射鏡１０７は第１の実施形態で述べたものと同じであるので説明を省略する。
【００５８】
また、放電電流のフィードバック制御機能を構成する、電流検出器１１０と、照射司令部１２１と、目標値設定部１２２と、差動増幅器１２３と、加算器１２４と、電圧発生装置１２０も同じものである。
【００５９】
リミッタ２４０は、加算器１２４より出力される加算器出力信号５０５を入力信号とし、電流検出器１１０が放電電流を検出するまでの期間は、リミット値生成部１３０が設定したリミット値設定器信号５０９で与えられる値を超えないように当該入力信号の電圧値を制限して、電圧発生装置１２０に対して電圧制御信号５０６として出力する。リミッタ２４０は、電流検出器１１０が放電電流を検出した後は、入力信号と同値の信号を電圧制御信号５０６として出力する。
【００６０】
リミッタ２４０の出力を制限するリミット値として第１のリミット値ＶＬ１と第２のリミット値ＶＬ２を設け、異なるリミット値を時間によって切り替える。第１のリミット値ＶＬ１は、第１の実施形態で説明したリミット値ＶＬと同等の値に設定する。第２のリミット値は、第１のリミット値に対して大きく設定する。照射指令信号５０１のスタートから所定の時間は第２のリミット値で出力を制限する。その後、タイマ１３２によって定められた所定の時間後に第１のリミット値ＶＬ１に切り替える。切り替え以降は第１のリミット値ＶＬ１で出力を制限する。
【００６１】
リミット値生成部１３０は、タイマ１３２と、リミット値設定器１３１と、検出部１３３を備える。
【００６２】
タイマ１３２は、照射指令信号５０１のＯＮの立ち上がりをスタートとして、予め設定された所定の時間だけＯＮとなるタイマ信号５０８を出力する。タイマＯＮ時間Ｔｅは、駆動条件に応じて一定に定めてもよいし、駆動電源１３５の電圧値に応じて可変としてもよい（詳細は後述）。
【００６３】
リミット値設定器１３１は、２種類の値の異なるリミット値を格納し、時間によって切換えてリミット値設定器信号５０９としてリミッタ２４０に出力する。具体的には、タイマＯＮ時間Ｔｅの間だけ値の大きい方の第２のリミット値ＶＬ２を出力し、それ以外の期間は第１のリミット値ＶＬ１を出力する。第２のリミット値ＶＬ２は、駆動条件に応じて一定に定めてもよいし、駆動電源１３５の電圧値に応じて可変としてもよい（詳細は後述）。
【００６４】
検出部１３３は、駆動電源１３５の電圧を検出して、電圧情報をリミット値設定器１３１とタイマ１３２に供給する。
【００６５】
＜ガスレーザ発振装置の動作＞
以上のように構成された本開示のガスレーザ発振装置のフィードバック制御動作について図面を用いて説明する。
【００６６】
図５は本開示の第２の実施形態に係る放電電流フィードバック系の信号の第１の状態を示すタイミングチャートである。各々のグラフの横軸は時間の経過を示す。尺度は説明用のため実際に対し適宜伸縮させている。ただし、複数のグラフで同じタイミングに相当するところは、グラフ間をまたがって同一の線で該当する箇所を示している。縦軸は各信号のレベルを示す。グラフ間の尺度は必ずしも一致はしていない。
【００６７】
外部からレーザ出力発振指令が入力させると、照射司令部１２１から照射指令信号５０１が立つ。照射指令信号は、ＯＮとＯＦＦの２値信号である。目標値設定部１２２は照射指令信号５０１を受けて、設定されたレーザ出力値に応じた目標値指令値Ｖｔの目標値信号５０２を出力する。照射指令信号５０１のＯＮへの立上り時点では放電は発生していないので、放電電流検出信号５０３は無信号（０レベル）である。
【００６８】
差動増幅器１２３では、目標値信号５０２と放電電流検出信号５０３の差を演算する。目標値信号５０２を正、放電電流検出信号５０３を負としている。演算された差分を予め設定された一定倍に増幅して差動増幅信号５０４を出力する。放電開始前は検出信号は０レベルであるので、目標値信号５０２の一定数倍の信号値になろうとする。しかしながら、フィードバックゲインを十分に取ると、一方の信号が０レベルの場合、増幅器の最大出力値Ｖｍに張り付いている。
【００６９】
加算器１２４は差動増幅信号５０４と目標値信号５０２を足し合わせて加算器出力信号５０５としてリミッタ１４０へ出力する。放電開始前は差動増幅信号５０４の最大出力値Ｖｍと目標値指令値Ｖｔを加算した値の信号を出力している。
【００７０】
タイマ１３２は、照射指令信号５０１のＯＮの立ち上がりに同期してタイマ信号５０８をＯＮに立ち上げる。タイマ信号５０８は、タイマＯＮ時間Ｔｅ経過後ＯＦＦになる。
【００７１】
リミット値設定器１３１は、タイマＯＮ時間Ｔｅの間は第２のリミット値ＶＬ２を、リミット値設定器信号５０９として出力する。タイマＯＮ時間Ｔｅ終了後は第１のリミット値ＶＬ１を出力する。
【００７２】
リミッタ２４０は、電流検出器１１０で放電電流を検出するまでの間は、リミット値設定器信号５０９で与えられた値以上の信号が入力されても、リミット値以上の信号が高電圧コントローラ１０４に出力されないように制御する。照射指令信号５０１のＯＮへの立上り時点では、第２のリミット値ＶＬ２で制限されている。
【００７３】
高電圧コントローラ１０４はリミッタ１４０から出力される信号の大きさに応じて、昇圧トランス１３６の出力を変化させるように制御する。放電開始前では放電電流のフィードバックがなされていないので、電圧制御信号５０６の第２のリミット値ＶＬ２で定まる電圧を、オープンループで発生するように電圧発生装置１２０は動作する。
【００７４】
しかし、高圧発生までには時定数に従い、トランス出力電圧５０７は徐々に上昇する。そして、トランス出力電圧５０７が放電開始電圧に達すると、放電管１０１内で放電が開始する。係る電圧をグラフでは第２の放電開始電圧Ｖａ２として示している。
【００７５】
ここで、電圧上昇率と放電開始電圧の関係について説明する。
【００７６】
図６は本開示の第２の実施形態に係る放電開始電圧と電圧上昇率との相関を示すグラフである。横軸は電圧上昇率であり、縦軸は放電開始電圧を示す。具体的数値はガス圧や流速、電極構造や表面状態など諸々の条件で変化するが、一例として数値を紹介する。
【００７７】
図６において示すように、一般に、電圧上昇率が大きいほど放電開始電圧は低くなる。グラフの０．１５ＫＶ／μＳの上昇率は、電圧制御信号５０６として第１のリミット値ＶＬ１相当を入力した場合を示す。前述のとおり、異常がなければ第１の放電開始電圧Ｖａ１で放電を開始する。値として３５ＫＶ程度である。
【００７８】
電圧制御信号５０６の値を大きくするとオープンループで到達する電圧が大きくなり、時定数が一定なら電圧上昇率は大きくなる。例えば、第２のリミット値ＶＬ２の値を第１のリミット値ＶＬ１に対して２倍程度とし、それによって電圧上昇率が０．３ＫＶ／μＳと仮定すると、放電開始電圧を第２の放電開始電圧Ｖａ２で、値にして３０ＫＶ弱程度に落とすことができる。
【００７９】
放電開始までの時間は、放電開始電圧と電圧上昇率の比で決まるので、第１のリミット値ＶＬ１で駆動すると約２４０μｓ、第２のリミット値ＶＬ２で駆動すると１００μｓ弱となり、その差は非常に大きい。図５では、トランス出力電圧５０７のグラフに、図２のグラフを破線で重ねて、その差を模式的に示している。
【００８０】
さらに、電圧上昇率を大きくすると、電極の表面状態の劣化による点弧ミスの確率も下がる傾向がある。また、放電開始電圧の抑制は、絶縁距離を確保の観点で装置自体の小型化にも寄与する。
【００８１】
図５に戻って説明を続ける。
【００８２】
放電が開始すると放電電流に応じた電圧値で放電電流検出信号５０３が立ち上がる。差動増幅信号５０４は、最大出力値Ｖｍから差分を増幅した値に変わる。それに応じて加算器出力信号５０５も値が変わる。さらに、リミッタ２４０のリミット値設定器信号５０９に制限する制御も終了し、電流検出器１１０が放電電流を検出した後は、入力信号と同値の信号を電圧制御信号５０６として出力する。
【００８３】
電圧制御信号５０６は、放電電流検出信号５０３が大きくなると減少し、放電電流検出信号５０３が小さくなると増大する。結果、差動増幅器１２３の増幅度が十分大きければ、放電電流検出信号５０３の値が目標値信号５０２の値に漸近し安定していく。同時にトランス出力電圧５０７も放電維持電圧Ｖｂに安定していく。
【００８４】
次に、照射指令信号５０１がＯＮになりトランス出力電圧５０７が増大していっても、何らかの異常があって放電を開始しない場合の状況を、上述と同様の図を用いて説明する。
【００８５】
図７は本開示の第２の実施形態に係る放電電流フィードバック系の信号の第２の状態を示すタイミングチャートである。図５と同様に、各々のグラフの横軸は時間の経過を示す。尺度は説明用のため実際に対し適宜伸縮させている。ただし、複数のグラフで同じタイミングに相当するところは、グラフ間をまたがって同一の線で該当する箇所を示している。縦軸は各信号のレベルを示す。グラフ間の尺度は必ずしも一致はしていない。
【００８６】
外部からレーザ出力発振指令が入力させると、照射司令部１２１から照射指令信号５０１が立つ。目標値設定部１２２は照射指令信号５０１を受けて、設定されたレーザ出力値に応じた目標値指令値Ｖｔの目標値信号５０２を出力する。照射指令信号５０１のＯＮへの立上り時点では放電は発生していないので、放電電流検出信号５０３は無信号（０レベル）である。
【００８７】
差動増幅器１２３では、放電開始前は検出信号は０レベルであるので、目標値信号５０２の一定数倍の信号値になろうとする。しかしながら、一方の信号が０レベルであるので増幅器の最大出力値Ｖｍに張り付いている。
【００８８】
加算器１２４は差動増幅信号５０４と目標値信号５０２を足し合わせて加算器出力信号５０５としてリミッタ２４０へ出力する。放電開始前は差動増幅信号５０４の最大出力値Ｖｍと目標値指令値Ｖｔを加算した値の信号を出力している。
【００８９】
タイマ１３２は、照射指令信号５０１のＯＮの立ち上がりに同期してタイマ信号５０８をＯＮに立ち上げる。タイマ信号５０８は、タイマＯＮ時間Ｔｅ経過後ＯＦＦになる。
【００９０】
リミット値設定器１３１は、タイマＯＮ時間Ｔｅの間は第２のリミット値ＶＬ２を、リミット値設定器信号５０９として出力する。タイマＯＮ時間Ｔｅ終了後は第１のリミット値ＶＬ１を出力する。
【００９１】
リミッタ２４０は、電流検出器１１０で放電電流を検出するまでの間は、リミット値設定器信号５０９で与えられた値以上の信号が入力されても、リミット値以上の信号が高電圧コントローラ１０４に出力されないように制御する。よって、何らかの理由で放電電流が流れない場合は、出力する電圧制御信号５０６はリミット値設定器信号５０９とおなじになる。
【００９２】
高電圧コントローラ１０４はリミッタ２４０から出力される信号の大きさに応じて、昇圧トランス１３６の出力を変化させるように制御する。放電開始前では放電電流のフィードバックがなされていないので、電圧制御信号５０６のリミット値で定まる電圧を、オープンループで発生するように電圧発生装置１２０は動作する。
【００９３】
タイマＯＮ時間Ｔｅの間は、トランス出力電圧５０７は素早く上昇する。電圧が上昇しても、もし何らかの理由で放電電流が流れない場合は、タイマＯＮ時間Ｔｅ終了後に電圧制御信号５０６の値が第１のリミット値ＶＬ１に切り替わって、トランス出力電圧５０７は第１のリミット値ＶＬ１で定まる高圧到達値Ｖｃになる。高圧到達値Ｖｃを高圧回路系の耐圧限界値Ｖｄより小さくなるように設定しておけば、放電管に印加される電圧が一定以下に抑えられて異常に昇圧されないようにすることができる。
【００９４】
リミッタが第１のリミット値ＶＬ１だけで動作した場合に推定されるトランス出力電圧５０７の変移を破線で示す。タイマＯＮ時間Ｔｅの期間の電圧上昇率が異なるが高圧到達値Ｖｃになる点で差はない。
【００９５】
以上に述べたように、本実施の形態のガスレーザ発振装置によれば、放電電流を制御する電圧発生装置のフィードバック制御系に、所定のリミット値波形を有し、放電開始までは当該リミット値で電圧制御信号を制限するリミッタを設けることで、放電開始までは電圧制御信号の最大値が制限されるが、放電開始以降は制限が解除されるので、通常運転状態のフィードバック制御では不要な制限なしに最適な電流制御が行われ、何らかの原因で放電開始が遅れたり行われなかったとしても、放電管に印加される電圧が一定以下に抑えられて異常に昇圧されないようにすることができる。
【００９６】
更に、第１のリミット値に対して大きな値の第２のリミット値を設定し、レーザ照射を指令する信号のスタートから所定の時間は第２のリミット値を用いることで、放電開始までの時間を短縮することができる。
【００９７】
＜各種設定値の最適化＞
まず、電圧上昇率の設定値であるが、放電開始電圧と電圧上昇率の相関は図６に示している。この例では、電圧上昇率をおおよそ０．３０ｋＶ／μｓ以上にすることで本実施形態の効果を十分にそうすることができる。よって、第２のリミット値ＶＬ２は、この電圧上昇率程度かそれ以上となるような値が出力されるよう設定する。
【００９８】
また、タイマＯＮ時間Ｔｅは、放電開始までの時間とする。例えば、電圧上昇率を０．３０ｋＶ／μｓに設定し、放電開始電圧が３０ｋＶであれば、タイマＯＮ時間Ｔｅは１００μｓとすれば良い。ただ、放電開始電圧のバラつきもあるため、上記のＯＮ時間よりも少し長くしておくことが望ましい。
【００９９】
但し、ＯＮ時間を長くしすぎると、通常指令よりも大きな出力指令がそれだけ長く入ることになり、何らかの外乱で放電が開始されない場合には高電圧電源からの出力電圧が一気に上昇し、高電圧電源に使用している半導体整流素子の耐圧を超えて破損させてしまうため、極力ゲート信号のＯＮ時間は短く設定しておく。
【０１００】
上述の例では１００μｓ〜１５０μｓが推奨の値になる。一般的なガスレーザ発振装置で、電圧上昇率が異なる場合でも、このタイマＯＮ時間Ｔｅを５０μｓ〜２５０μｓの範囲で設定すると良い。
【０１０１】
リミッタの制限電圧を目標設定値に関係なく、例えば電圧上昇率を０．３０ｋＶ／μｓとなるように設定すれば、放電開始電圧はどの目標設定値でもほぼ同じになる。しかし、駆動電源１３５の電圧が変動すると、電圧発生装置１２０からの電圧上昇率も変動し、前述の効果がばらついてしまう。電圧上昇率は、駆動電源電圧が大きければ電圧上昇率も大きくなる。
【０１０２】
そのため、駆動電源１３５電圧が大きいときには、何らかの外乱で放電が開始されない場合には電圧発生装置１２０からの出力電圧が一気に上昇し、使用している半導体整流素子の耐圧を超えて破損させてしまう可能性がある。そのため、リミッタ２４０からの出力値を制限する第２のリミット値ＶＬ２を、図８に示すように駆動電源１３５の電圧に反比例する信号とし、駆動電源電圧が変動しても、電圧上昇率は一定値となるように制御することが望ましい。
【０１０３】
そこで、駆動電源１３５の電圧を検出部１３３で検出し、検出信号をリミット値設定器１３１に与える。リミット値設定器１３１から出力されるリミット値設定器信号５０９の第２のリミット値ＶＬ２を、検出部１３３から与えられた検出信号に反比例する信号とすればよい。実際の回路では、正確に反比例する回路でなくても、直線近似した信号程度でも実用的に使用可能である。
【０１０４】
つまり、電圧発生装置１２０の電力を供給する駆動電源１３５の電圧を検出する検出部１３３を設け、検出した駆動電圧の値が増加した場合は、第２のリミット値ＶＬ２を減少させ、検出した駆動電圧の値が減少した場合は、第２のリミット値を増加させるようにすれば良い。
【０１０５】
あるいは、第２のリミット値ＶＬ２が適用される時間、即ち、タイマＯＮ時間Ｔｅを変えることによって対応することもできる。第２のリミット値ＶＬ２で出力値を制限する所定の時間を図９に示すように、駆動電源１３５の電圧に反比例するように設定する。駆動電源電圧が上昇して電圧上昇率が増加した場合は短い時間になり、駆動電源電圧が下降して電圧上昇率が減少した場合は長い時間になる。
【０１０６】
そこで、駆動電源１３５の電圧を検出部１３３で検出し、検出信号をタイマ１３２に与える。タイマ１３２から出力されるタイマ信号５０８のタイマＯＮ時間Ｔｅを、検出部１３３から与えられた検出信号に反比例する信号とすればよい。実際の回路では、正確に反比例する回路でなくても、直線近似した信号程度でも実用的に使用可能である。
【０１０７】
つまり、電圧発生装置１２０の電力を供給する駆動電源１３５の電圧を検出する検出部１３３を設け、検出した駆動電圧の値が増加した場合は、第２のリミット値ＶＬ２で出力値を制限する所定の時間を減少させ、検出した駆動電圧の値が減少した場合は、第２のリミット値ＶＬ２で出力値を制限する所定の時間を増加させるようにすればよい。
【０１０８】
なお、本実施の形態ではリミッタとリミット値生成部の各構成要素が分離された例で説明したが、電圧制御信号のリミット値制御を同等の２段階の制御ができれば本実施形態の構成に限定されるものではない。
【０１０９】
（実施の形態３）
本開示のガスレーザ発振装置の第３の実施形態について、図を用いて説明する。第１、２の実施形態と説明が重複する点については簡略化、あるいは省略し、異なる箇所について説明するものとする。また、符号については同一構成については同一の番号を付している。
【０１１０】
＜実施の形態３にて解決しようとする課題＞
従来までのｋＷクラスのガスレーザ発振装置では大出力のレーザ光を得るために、実施の形態１および２で述べた放電空間を複数（２つないしそれ以上）直列に連結した構成をとることが一般的である。
【０１１１】
図１０の（ａ）および（ｂ）に放電空間を２つ連結した例を示す。複数の放電空間９１０は互いの絶縁を確保するため、ガラスなどの誘電体からなる無放電管９１１にて構成される無放電空間９１２にて連結される。
【０１１２】
また、放電空間９１０どうしは連結部の電位差を極力なくすために高電圧側どうし、あるい接地側どうしを連結する。図１０の（ａ）および（ｂ）は高圧側どうしを連結した例であるが、２つ以上の放電空間を連結する場合は高圧側どうしの連結部と接地側どうしの連結部が交互に配置される構成をとる。
さて、図１０の（ａ）に正常に動作した場合を図示する。このとき２つの放電空間９１０にはそれぞれ電流制御部９０９（図１５記載の目標値設定器９０６、差動増幅器９０７、加算器９０８にて構成）の制御電圧に基づいた電圧を電極９０３に電圧発生装置９０４より印加されることで放電電流が流れる。
【０１１３】
前記放電電流にてそれぞれの放電空間９１０で発生した励起光は全反射鏡９１３と部分反射鏡９１４で構成される光共振器にて増幅されレーザビーム９１５として取り出される。
【０１１４】
続いて、図１０の（ｂ）に正常に動作しなかった場合を図示する。放電空間９１０へは同時に電圧の印加が開始されるが、放電空間の絶縁破壊は確率的に起こるため互いの放電開始のタイミングにはずれが生じる。
【０１１５】
そのため、一方の放電が開始し、放電インピーダンスの低下により放電開始電圧が低下すると、両者の間に電位差が生じる。この際、無放電空間９１２の長さが不十分であると、放電を開始していない放電空間側から無放電空間９１２を通過し、他方の放電空間を流れ、接地部を介して戻ってくる電流経路が形成され、放電空間に正常に放電が形成されずレーザ出力が低下するという課題があった。
【０１１６】
従来までは、無放電空間９１２の長さを十分に確保し、両放電空間の間での絶縁破壊を防止していた。しかしながら、無放電空間を長くすることは、その空間でのレーザビームの吸収損失を増加させ、投入電力に対して取り出せるレーザ出力の割合を表す発振効率の低下につながり、レーザ発振器の高出力化を妨げる要因となっていた。
【０１１７】
＜ガスレーザ発振装置の主要構成＞
図１１は本開示の第３の実施形態に係るガスレーザ発振装置の主要部の構成を示すブロック図である。本図に示す構成と図１に示す構成の違いは、放電空間１０５を２つ連結した構成としており、その連結にガラスなどの誘電体からなる無放電管１５０を用い、放電空間１０５どうしの間に無放電空間１５１を形成していることと、リミッタ３４０の動作にある。
【０１１８】
本開示のガスレーザ発振装置３００を図１２に沿って説明する。
【０１１９】
この図において、共振器部１０８を構成する、放電管１０１と、電極１０２、１０３と、放電管１０１内の放電空間１０５と、全反射鏡１０６と、部分反射鏡１０７は第１の実施形態で述べたものと同じであるので説明を省略する。
【０１２０】
また、放電電流のフィードバック制御機能を構成する、電流検出器１１０と、照射司令部１２１と、目標値設定部１２２と、差動増幅器１２３と、加算器１２４と、電圧発生装置１２０も同じものである。
【０１２１】
リミッタ３４０は、加算器１２４より出力される加算器出力信号５０５を入力信号とし、電流検出器１１０が放電電流を検出するまでの期間は予め設定しておいた所定の第３のリミット値ＶＬ３を超えないように電圧値を制限して、電圧発生装置１２０に対して電圧制御信号５０６として出力する。
【０１２２】
リミッタ３４０は、電流検出器１１０が放電電流を検出した後は、入力信号と同値の信号を電圧制御信号５０６として出力する。
【０１２３】
リミッタ３４０は、電流検出器１１０が放電電流を検出しなくなると、再度、電流検出器１１０が放電電流を検出するまで第３のリミット値ＶＬ３を超えないように電圧値を制限して、電圧発生装置１２０に対して電圧制御信号５０６として出力する。
【０１２４】
すなわち、リミッタ３４０は電流検出器１１０が放電電流を検出していない間は第３のリミット値ＶＬ３により制限される電圧値を、放電電流を検出している間は入力信号と同値の信号を電圧制御信号５０６として出力する。
【０１２５】
なお、左右の放電空間１０５へは同様の放電電流フィードバック制御構成を有しており、図１１では一方の記載を省略している。
【０１２６】
＜ガスレーザ発振装置の動作＞
以上のように構成された本開示のガスレーザ発振装置のフィードバック制御動作について図面を用いて説明する。
【０１２７】
なお、放電が正常に開始された場合および、トランス出力電圧５０７が増大していっても何らかの異常があって放電を開始しない場合の状況は、実施の形態１における第１の状態および第２の状態と同様であるため説明を省略する。
【０１２８】
ここでは、前述した異常放電が発生した場合を第３の状態とし、第３の状態における放電電流フィードバック制御動作について説明する。
【０１２９】
図１２は本開示の第３の実施形態に係る放電電流フィードバック系の信号の第３の状態を示すタイミングチャートである。各々のグラフの横軸は時間の経過を示す。尺度は説明用のため実際に対し適宜伸縮させている。ただし、複数のグラフで同じタイミングに相当するところは、グラフ間をまたがって同一の線で該当する箇所を示している。縦軸は各信号のレベルを示す。グラフ間の尺度は必ずしも一致はしていない。
【０１３０】
外部からレーザ出力発振指令が入力させると、照射司令部１２１から照射指令信号５０１が立つ。照射指令信号は、ＯＮとＯＦＦの２値信号である。目標値設定部１２２は照射指令信号５０１を受けて、設定されたレーザ出力値に応じた目標値指令値Ｖｔの目標値信号５０２を出力する。照射指令信号５０１のＯＮへの立上り時点では放電は発生していないので、放電電流検出信号５０３は無信号（０レベル）である。
【０１３１】
差動増幅器１２３では、目標値信号５０２と放電電流検出信号５０３の差を演算する。目標値信号５０２を正、放電電流検出信号５０３を負としている。演算された差分を予め設定された一定倍に増幅して差動増幅信号５０４を出力する。放電開始前は検出信号は０レベルであるので、目標値信号５０２の一定数倍の信号値になろうとする。しかしながら、フィードバックゲインを十分に取ると、一方の信号が０レベルの場合、増幅器の最大出力値Ｖｍに張り付いている。
【０１３２】
加算器１２４は差動増幅信号５０４と目標値信号５０２を足し合わせて加算器出力信号５０５としてリミッタ３４０へ出力する。放電開始前は差動増幅信号５０４の最大出力値Ｖｍと目標値指令値Ｖｔを加算した値の信号を出力している。
【０１３３】
リミッタ３４０は、電流検出器１１０で放電電流を検出するまでの間は、あらかじめ設定された第３のリミット値ＶＬ３以上の信号が入力されても、第３のリミット値ＶＬ３以上の信号が高電圧コントローラ１０４に出力されないように制御する。
【０１３４】
高電圧コントローラ１０４はリミッタ３４０から出力される信号の大きさに応じて、昇圧トランス１３６の出力を変化させるように制御する。放電開始前では放電電流のフィードバックがなされていないので、電圧制御信号５０６の第３のリミット値ＶＬ３で定まる電圧を、オープンループで発生するように電圧発生装置１２０は動作する。
【０１３５】
しかし、高圧発生までには時定数が存在するため、トランス出力電圧５０７は徐々に上昇する。そして、トランス出力電圧５０７が放電開始電圧に達すると、放電管１０１内で放電が開始する。係る電圧をグラフでは放電開始電圧Ｖａ３として示している。
【０１３６】
放電が開始すると放電電流に応じた電圧値で放電電流検出信号５０３が立ち上がる。差動増幅信号５０４は、最大出力値Ｖｍから差分を増幅した値に変わる。それに応じて加算器出力信号５０５も値が変わる。さらに、リミッタ３４０の第３のリミット値ＶＬ３に制限する制御も終了し、電流検出器１１０が放電電流を検出した後は、入力信号と同値の信号を電圧制御信号５０６として出力する。
【０１３７】
電圧制御信号５０６は、放電電流検出信号５０３が大きくなると減少し、放電電流検出信号５０３が小さくなると増大する。結果、差動増幅器１２３の増幅度が十分大きければ、放電電流検出信号５０３の値が目標値信号５０２の値に漸近し安定していく。同時にトランス出力電圧５０７も放電維持電圧Ｖｂに安定していく。
【０１３８】
しかしながら、放電空間１０５どうしを絶縁する無放電空間１５１の長さが不十分であると、放電開始のタイミングのずれにより生じる互いの電位差により、遅れて放電開始した側の放電空間から隣の放電空間へ無放電空間１５１と接地部を経由する経路で異常放電電流が流れ、同時に、一旦流れかけた放電空間での放電電流が消灯する。
【０１３９】
従来では、図１２最下部に点線で示すように、一度異常放電電流が流れると異常放電を抑えることができなかったため、無放電空間１５１を必要以上に長く取ることで回避してきた。
【０１４０】
本開示においては、電流検出器１１０において放電電流が検出できなくなると、リミッタ３４０は再度、第３のリミット値ＶＬ３で制限される電圧制御信号５０６として出力する。
【０１４１】
ここで、第３のリミット値ＶＬ３は、放電が開始していない無負荷状態では第３のリミット値ＶＬ３にて定まるトランス出力電圧５０７が放電開始に必要な電圧Ｖａ３以上且つ高圧回路系の耐圧限界値Ｖｄ以下となり、放電開始後の放電負荷下ではトランス出力電圧５０７が放電を維持するには不十分な値と設定しておく。
【０１４２】
そうすることで、異常放電電流が流れ、電流検出器１１０が放電電流を検出できなくなり、リミッタ３４０が再度、第３のリミット値ＶＬ３で制限される電圧制御信号５０６として出力すると、図１２下部に実線で示すように、異常放電を維持できなくなり、異常放電電流が低下するとともに、一時的にトランス出力電圧５０７が低下する。
【０１４３】
異常放電電流が完全に消灯すると、放電が開始していない無負荷状態となり、再びトランス出力電圧５０７が上昇を開始する。
【０１４４】
トランス出力電圧５０７が再度放電開始電圧Ｖａ３まで上昇すると、放電空間１０５内にて放電が開始し、電流検出器１１０にて放電電流が検出され、リミッタ３４０は加算器出力信号５０５と同値の信号を電圧制御信号５０６として出力する。
【０１４５】
このとき、放電空間１０５にて十分な放電が得られるとトランス出力電圧は放電維持電圧Ｖｂに安定していき、隣り合う放電空間どうしでの電位差も無視できる程度になり、安定した放電が継続する。
【０１４６】
図１２は２回目の放電開始後に放電空間１０５での放電が安定した際を図示しているが、２回目以降でも異常放電となった場合は、再度、リミッタ３４０の出力を切り替えて、放電開始をやり直す。
【０１４７】
放電開始を試みる毎に放電空間１０５にはわずかながら放電電流が流れ、放電空間１０５内のインピーダンスが低下していくため、数回の繰り返し動作の内には放電空間１０５内での放電が安定して行われるようになる。
【０１４８】
なお、リミッタ３４０の第３のリミット値ＶＬ３に制限する制御は、放電空間１０５内での放電開始後終了し、放電が消灯しない限り再度制限されることはないため、放電安定後、通常運転状態のフィードバック制御では不要な制限なしに最適な電流制御が行われる。
【０１４９】
以上に述べたように、本実施の形態のガスレーザ発振装置によれば、放電電流を制御する電圧発生装置のフィードバック制御系に、所定のリミット値波形を有し、放電電流が流れていない状態では当該リミット値で電圧制御信号を制限するリミッタを設けることで、放電開始までは電圧制御信号の最大値が制限されるが、放電開始以降は制限が解除されるので、通常運転状態のフィードバック制御では不要な制限なしに最適な電流制御が行われ、何らかの原因で放電開始が遅れたり行われなかったとしても、放電管に印加される電圧が一定以下に抑えられて異常に昇圧されないようにすることができることに加え、放電開始後、異常放電となった場合でも異常放電を抑制し、放電開始をやり直すことで放電を安定化させることができる。
【０１５０】
これにより、無放電空間を必要以上に長くとる必要がなくなり、ガスレーザ発振器の小型化およびエネルギー効率の向上にも寄与することが可能である。
【０１５１】
（実施の形態４）
本開示のガスレーザ発振装置の第４の実施形態について、図を用いて説明する。第４の実施形態は第２の実施形態に第３の実施形態で述べた異常放電抑制機能を追加したものである。第１〜３の実施形態と説明が重複する点については簡略化、あるいは省略し、異なる箇所について説明するものとする。また、符号については同一構成については同一の番号を付している。
＜ガスレーザ発振装置の主要構成＞
図１３は本開示の第４の実施形態に係るガスレーザ発振装置の主要部の構成を示すブロック図である。本図に示す構成と図４および１１に示す構成の違いは、リミッタ４４０の動作と、リミッタ４４０のリミット値を制御するリミット値生成部１３０にある。
【０１５２】
本開示のガスレーザ発振装置４００を図１３に沿って説明する。
【０１５３】
この図において、共振器部１０８を構成する、放電管１０１と、電極１０２、１０３と、放電管１０１内の放電空間１０５と、全反射鏡１０６と、部分反射鏡１０７と、無放電管１５０と、無放電管１５０内の無放電空間１５１は第１および第３の実施形態で述べたものと同じであるので説明を省略する。
【０１５４】
また、放電電流のフィードバック制御機能を構成する、電流検出器１１０と、照射司令部１２１と、目標値設定部１２２と、差動増幅器１２３と、加算器１２４と、電圧発生装置１２０も同じものである。
【０１５５】
リミッタ４４０は、加算器１２４より出力される加算器出力信号５０５を入力信号とし、電流検出器１１０が放電電流を検出するまでの期間は、リミット値生成部１３０が設定したリミット値設定器信号５０９で与えられる値を超えないように当該入力信号の電圧値を制限して、電圧発生装置１２０に対して電圧制御信号５０６として出力する。
【０１５６】
リミッタ４４０は、電流検出器１１０が放電電流を検出した後は、入力信号と同値の信号を電圧制御信号５０６として出力する。
【０１５７】
リミッタ４４０は、電流検出器１１０が放電電流を検出しなくなると、再度、電流検出器１１０が放電電流を検出するまで、リミット値生成部１３０が設定したリミット値設定器信号５０９で与えられる値を超えないように当該入力信号の電圧値を制限して、電圧発生装置１２０に対して電圧制御信号５０６として出力する。
【０１５８】
すなわち、リミッタ４４０は電流検出器１１０が放電電流を検出していない間はリミット値生成部１３０が設定したリミット値設定器信号５０９により制限される電圧値を、放電電流を検出している間は加算器出力信号５０５と同値の信号を電圧制御信号５０６として出力する。
【０１５９】
リミッタ４４０の出力を制限するリミット値として第４のリミット値ＶＬ４と第２のリミット値ＶＬ２を設け、異なるリミット値を時間によって切り替える。
【０１６０】
第４のリミット値ＶＬ４は、第３の実施形態で説明した第３のリミット値ＶＬ３と同等の値に設定する。
【０１６１】
第２のリミット値は、第４のリミット値に対して大きく設定し、その設定方法は第２の実施形態で述べたものと同様である。
【０１６２】
照射指令信号５０１のスタートから所定の時間は第２のリミット値で出力を制限する。その後、タイマ４３２によって定められた所定の時間後に第４のリミット値ＶＬ４に切り替える。
【０１６３】
切り替え以降は第４のリミット値ＶＬ４で出力を制限するが、電流検出器１１０からの放電電流検出信号５０３の立下り（放電電流の消灯）を受けてから、タイマ４３４によって定められた所定の時間後に再度第２のリミット値で出力を制限する。その後、タイマ４３２によって定められた所定の時間後に第４のリミット値に切り替える。
【０１６４】
すなわち、電流検出器１１０の信号の立下りをトリガにリミット値の切り替えを都度やり直す。
【０１６５】
リミット値生成部１３０は、タイマ４３２、４３４と、リミット値設定器１３１と、検出部１３３を備える。
【０１６６】
タイマ４３２は、照射指令信号５０１のＯＮの立ち上がりおよびタイマ信号５１０のＯＦＦの立下がりをスタートとして、予め設定された所定の時間だけＯＮとなるタイマ信号５０８を出力する。タイマＯＮ時間Ｔｅは、駆動条件に応じて一定に定めてもよいし、駆動電源１３５の電圧値に応じて可変としてもよい（詳細は第２の実施形態の中で記載済み）。
【０１６７】
タイマ４３４は、電流検出器１１０からの放電電流検出信号５０３のＯＦＦの立下りをスタートとして、予め設定された所定のタイマＯＮ時間ＴｗだけＯＮとなるタイマ信号５１０を出力する。
【０１６８】
タイマＯＮ時間Ｔｗは、第４のリミット値ＶＬ４で電圧制御信号５０６を制限した際に異常放電電流が十分に立ち下がる時間で設定する。
【０１６９】
該当時間は放電空間１０５および無放電空間１５１を満たすレーザ媒質の組成や圧力などによる放電回路定数や電圧発生装置１２０の回路定数、第４のリミット値ＶＬ４の値で一定に決まるため、予め算出や測定により導き設定することが可能である。前記回路定数にもよるが該当時間は概ね１００μｓ〜２００μｓである。
【０１７０】
リミット値設定器１３１は、２種類の値の異なるリミット値を格納し、時間によって切換えてリミット値設定器信号５０９としてリミッタ４４０に出力する。具体的には、タイマＯＮ時間Ｔｅの間だけ値の大きい方の第２のリミット値ＶＬ２を出力し、それ以外の期間は第４のリミット値ＶＬ４を出力する。第２のリミット値ＶＬ２は、駆動条件に応じて一定に定めてもよいし、駆動電源１３５の電圧値に応じて可変としてもよい（詳細は第２の実施形態にて記述済み）。
【０１７１】
検出部１３３は、駆動電源１３５の電圧を検出して、電圧情報をリミット値設定器１３１とタイマ４３２に供給する。
【０１７２】
なお、左右の放電空間１０５へは同様の放電電流フィードバック制御構成を有しており、図１３では一方の記載を省略している。
【０１７３】
＜ガスレーザ発振装置の動作＞
以上のように構成された本開示のガスレーザ発振装置のフィードバック制御動作について図面を用いて説明する。
【０１７４】
図１４は本開示の第４の実施形態に係る放電電流フィードバック系の信号の第３の状態を示すタイミングチャートである。各々のグラフの横軸は時間の経過を示す。尺度は説明用のため実際に対し適宜伸縮させている。ただし、複数のグラフで同じタイミングに相当するところは、グラフ間をまたがって同一の線で該当する箇所を示している。縦軸は各信号のレベルを示す。グラフ間の尺度は必ずしも一致はしていない。
【０１７５】
外部からレーザ出力発振指令が入力されると、照射司令部１２１から照射指令信号５０１が立つ。照射指令信号は、ＯＮとＯＦＦの２値信号である。目標値設定部１２２は照射指令信号５０１を受けて、設定されたレーザ出力値に応じた目標値指令値Ｖｔの目標値信号５０２を出力する。照射指令信号５０１のＯＮへの立上り時点では放電は発生していないので、放電電流検出信号５０３は無信号（０レベル）である。
【０１７６】
差動増幅器１２３では、目標値信号５０２と放電電流検出信号５０３の差を演算する。目標値信号５０２を正、放電電流検出信号５０３を負としている。演算された差分を予め設定された一定倍に増幅して差動増幅信号５０４を出力する。放電開始前は検出信号は０レベルであるので、目標値信号５０２の一定数倍の信号値になろうとする。しかしながら、フィードバックゲインを十分に取ると、一方の信号が０レベルの場合、増幅器の最大出力値Ｖｍに張り付いている。
【０１７７】
加算器１２４は差動増幅信号５０４と目標値信号５０２を足し合わせて加算器出力信号５０５としてリミッタ４４０へ出力する。放電開始前は差動増幅信号５０４の最大出力値Ｖｍと目標値指令値Ｖｔを加算した値の信号を出力している。
【０１７８】
タイマ４３２は、照射指令信号５０１のＯＮの立ち上がりに同期してタイマ信号５０８をＯＮに立ち上げる。タイマ信号５０８は、タイマＯＮ時間Ｔｅ経過後ＯＦＦになる。
【０１７９】
リミット値設定器１３１は、タイマＯＮ時間Ｔｅの間は第２のリミット値ＶＬ２を、リミット値設定器信号５０９として出力する。タイマＯＮ時間Ｔｅ終了後は第４のリミット値ＶＬ４を出力する。
【０１８０】
リミッタ４４０は、電流検出器１１０で放電電流を検出するまでの間は、リミット値設定器信号５０９で与えられた値以上の信号が入力されても、リミット値以上の信号が高電圧コントローラ１０４に出力されないように制御する。照射指令信号５０１のＯＮへの立上り時点では、第２のリミット値ＶＬ２で制限されている。
【０１８１】
高電圧コントローラ１０４はリミッタ４４０から出力される信号の大きさに応じて、昇圧トランス１３６の出力を変化させるように制御する。放電開始前では放電電流のフィードバックがなされていないので、電圧制御信号５０６の第２のリミット値ＶＬ２で定まる電圧を、オープンループで発生するように電圧発生装置１２０は動作する。
【０１８２】
しかし、高圧発生までには時定数に従い、トランス出力電圧５０７は徐々に上昇する。そして、トランス出力電圧５０７が放電開始電圧に達すると、放電管１０１内で放電が開始する。係る電圧をグラフでは第２の放電開始電圧Ｖａ２として示している。
【０１８３】
ここで第４のリミット値ＶＬ４相当を電圧制御信号５０６として入力した場合の放電開始電圧Ｖａ３に至るまでの電圧上昇曲線をトランス出力電圧５０７のグラフに破線で示す。第２の実施形態同様、第２のリミット値ＶＬ２相当を電圧制御信号５０６として入力した場合の方が放電開始電圧を低くできるとともに、放電開始までの時間を短縮することができる。
【０１８４】
放電が開始すると放電電流に応じた電圧値で放電電流検出信号５０３が立ち上がる。差動増幅信号５０４は、最大出力値Ｖｍから差分を増幅した値に変わる。それに応じて加算器出力信号５０５も値が変わる。さらに、リミッタ４４０のリミット値設定器信号５０９に制限する制御も終了し、電流検出器１１０が放電電流を検出した後は、入力信号と同値の信号を電圧制御信号５０６として出力する。
【０１８５】
電圧制御信号５０６は、放電電流検出信号５０３が大きくなると減少し、放電電流検出信号５０３が小さくなると増大する。結果、差動増幅器１２３の増幅度が十分大きければ、放電電流検出信号５０３の値が目標値信号５０２の値に漸近し安定していく。同時にトランス出力電圧５０７も放電維持電圧Ｖｂに安定していく。
【０１８６】
しかしながら、放電空間１０５どうしを絶縁する無放電空間１５１の長さが不十分であると、放電開始のタイミングのずれにより生じる互いの電位差により、遅れて放電開始した側の放電空間から隣の放電空間へ無放電空間１５１と接地部を経由する経路で異常放電電流が流れ、同時に、一旦流れかけた放電空間での放電電流が消灯する。
【０１８７】
従来では、図１４最下部に点線で示すように、一度異常放電電流が流れると異常放電を抑えることができなかったため、無放電空間１５１を必要以上に長く取ることで回避してきた。
【０１８８】
本開示においては、電流検出器１１０において放電電流が検出できなくなると、
リミッタ４４０は再度、リミット値設定器信号５０９で制限される電圧値を電圧制御信号５０６として出力する。
【０１８９】
電流検出器１１０において放電電流が検出できなくなった直後はリミット値設定器信号５０９は第４のリミット値ＶＬ４となっている。
【０１９０】
ここで、第４のリミット値ＶＬ４は、放電が開始していない無負荷状態では第４のリミット値ＶＬ４にて定まるトランス出力電圧５０７が放電開始に必要な電圧Ｖａ３以上且つ高圧回路系の耐圧限界値Ｖｄ以下となり、放電開始後の放電負荷下ではトランス出力電圧５０７が放電を維持するには不十分な値と設定しておく。
【０１９１】
そうすることで、異常放電電流が流れ、電流検出器１１０が放電電流を検出できなくなり、リミッタ４４０が再度、リミット値設定器信号５０９で制限される電圧値を電圧制御信号５０６として出力すると、図１４下部に実線で示すように、異常放電を維持できなくなり、異常放電電流が低下するとともに、一時的にトランス出力電圧５０７が低下する。
【０１９２】
一方、電流検出器１１０の放電電流検出信号５０３の立下りを受けた段階で、タイマ４３４とタイマ信号５１０をＯＮに立ち上げる。
【０１９３】
タイマ信号５１０はタイマ４３４であらかじめ設定されているタイマＯＮ時間Ｔｗ経過するとＯＦＦに立ち下がる。
【０１９４】
タイマＯＮ時間Ｔｗを前述したように設定することで、異常放電電流が完全に消灯すると同時、もしくは少し遅れてタイマ信号５１０は立ち下がることになる。
【０１９５】
異常放電電流が完全に消灯すると放電が開始していない無負荷状態となり、再びトランス出力電圧５０７が上昇を開始する。
【０１９６】
前述したようにトランス出力電圧５０７が上昇を開始すると同時、もしくは少し遅れてタイマ信号５１０が立下り、タイマ信号５１０の立下りを受けてタイマ４３２はタイマ信号５０８をＯＮに立ち上げる。
【０１９７】
タイマ信号５０８はタイマ４３２にてあらかじめ設定されているタイマＯＮ時間Ｔｅ経過するとＯＦＦに立ち下がる。
【０１９８】
リミット値設定器１３１は、タイマＯＮ時間Ｔｅの間は第２のリミット値ＶＬ２を、リミット値設定器信号５０９として出力する。タイマＯＮ時間Ｔｅ終了後は第４のリミット値ＶＬ４を出力する。
【０１９９】
そのため、トランス出力電圧５０７は第２のリミット値ＶＬ２で定まる傾きで上昇する。その後、再度放電開始電圧Ｖａ３まで上昇すると、放電空間１０５内にて放電が開始し、電流検出器１１０にて放電電流が検出され、リミッタ４４０は加算器出力信号５０５と同値の信号を電圧制御信号５０６として出力する。
【０２００】
このとき、放電空間１０５にて十分な放電が得られるとトランス出力電圧は放電維持電圧Ｖｂに安定していき、隣り合う放電空間どうしでの電位差も無視できる程度になり、安定した放電が継続する。
【０２０１】
図１４は２回目の放電開始後に放電空間１０５での放電が安定した際を図示しているが、２回目以降でも異常放電となった場合は、再度、リミッタ４４０の出力を切り替えて、放電開始をやり直す。
【０２０２】
放電開始を試みる毎に放電空間１０５にはわずかながら放電電流が流れ、放電空間１０５内のインピーダンスが低下していくため、数回の繰り返し動作の内には放電空間１０５内での放電が安定して行われるようになる。
なお、リミッタ４４０のリミット値設定器信号５０９に制限する制御は、放電空間１０５内での放電開始後終了し、放電が消灯しない限り再度制限されることはないため、放電安定後、通常運転状態のフィードバック制御では不要な制限なしに最適な電流制御が行われる。
【０２０３】
以上に述べたように、本実施の形態のガスレーザ発振装置によれば、放電電流を制御する電圧発生装置のフィードバック制御系に、所定のリミット値波形を有し、放電電流が流れていない状態では当該リミット値で電圧制御信号を制限するリミッタを設けることで、放電開始までは電圧制御信号の最大値が制限されるが、放電開始以降は制限が解除されるので、通常運転状態のフィードバック制御では不要な制限なしに最適な電流制御が行われ、何らかの原因で放電開始が遅れたり行われなかったとしても、放電管に印加される電圧が一定以下に抑えられて異常に昇圧されないようにすることができることに加え、放電開始後、異常放電となった場合でも異常放電を抑制し、放電開始をやり直すことで放電を安定化させることができる。
【０２０４】
これにより、無放電空間を必要以上に長くとる必要がなくなり、ガスレーザ発振器の小型化およびエネルギー効率の向上にも寄与することが可能である。
【０２０５】
更に、第４のリミット値に対して大きな値の第２のリミット値を設定し、レーザ照射を指令する信号のスタートから所定の時間は第２のリミット値を用いることで、放電開始までの時間を短縮することができ、且つ放電開始電圧を下げることができ、要求される高圧回路系の耐圧限界値を下げることが可能となるため、ガスレーザ発振器の小型化により効果的である。
【産業上の利用可能性】
【０２０６】
本開示にかかるガスレーザ発振装置は、通常運転状態のフィードバック制御では不要な制限なしに最適な電流制御が行われ、何らかの原因で放電開始が遅れたり行われなかったとしても、放電管に印加される電圧が一定以下に抑えられて異常に昇圧されないようにすることができるものであり、ＫＷクラスの軸流型ガスレーザ発振装置等において有用である。
【符号の説明】
【０２０７】
１００、２００、３００、４００    ガスレーザ発振装置
１０１    放電管
１０２、１０３    電極
１０４    高電圧コントローラ
１０５    放電空間
１０６    全反射鏡
１０７    部分反射鏡
１０８    共振器部
１０９    レーザビーム
１１０    電流検出器
１２０    電圧発生装置
１２１    照射司令部
１２２    目標値設定部
１２３    差動増幅器
１２４    加算器
１３０    リミット値生成部
１３１    リミット値設定器
１３２、４３２、４３４    タイマ
１３３    検出部
１３５    駆動電源
１３６    昇圧トランス
１４０、２４０、３４０、４４０    リミッタ
１５０    無放電管
１５１    無放電空間
５０１    照射指令信号
５０２    目標値信号
５０３    放電電流検出信号
５０４    差動増幅信号
５０５    加算器出力信号
５０６    電圧制御信号
５０７    トランス出力電圧
５０８、５１０    タイマ信号
５０９    リミット値設定器信号
ＶＬ    リミット値
ＶＬ１    第１のリミット値
ＶＬ２    第２のリミット値
ＶＬ３    第３のリミット値
ＶＬ４    第４のリミット値
Ｖｔ    目標値指令値
Ｖｍ    最大出力値
Ｖａ１    第１の放電開始電圧
Ｖａ２    第２の放電開始電圧
Ｖｂ    放電維持電圧
Ｖｃ    高圧到達値
Ｖｄ    耐圧限界値
Ｔｅ、Ｔｗ    タイマＯＮ時間
９０１    放電管
９０２    共振器部
９０３    電極
９０４    電圧発生装置
９０５    放電電流検出器
９０６    目標値設定器
９０７    差動増幅器
９０８    加算器
９０９    電流制御部
９１０    放電空間
９１１    無放電管
９１２    無放電空間
９１３    全反射鏡
９１４    部分反射鏡
９１５    レーザビーム
【図１】
2017069561.tif 000003
【図２】
2017069561.tif 000004
【図３】
2017069561.tif 000005
【図４】
2017069561.tif 000006
【図５】
2017069561.tif 000007
【図６】
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【図７】
2017069561.tif 000009
【図８】
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【図９】
2017069561.tif 000011
【図１０】
2017069561.tif 000012
【図１１】
2017069561.tif 000013
【図１２】
2017069561.tif 000014
【図１３】
2017069561.tif 000015
【図１４】
2017069561.tif 000016
【図１５】
2017069561.tif 000017