JP2017069561A - Gas laser oscillation device - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present disclosure relates to a KW-class axial flow type gas laser oscillation device, and more particularly, to a control device for a high pressure generator used in the gas laser oscillation device.
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。 Conventionally, a gas laser oscillation apparatus using a gaseous laser medium such as carbon dioxide gas has been used for laser processing of KW class high output. In the gas laser oscillation device, in order to excite the laser medium, it is necessary to generate a discharge in the laser medium at a high voltage of several tens of KV. In addition, in order to obtain a stable laser output, the stability of the discharge current is also important.
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。 Therefore, a voltage generator that applies a voltage to the discharge electrode uses a power supply device that variably boosts the output voltage, and is combined with a discharge current feedback function to stabilize the discharge current. Yes.
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。 However, if the discharge start is delayed due to aging of the discharge electrode or the like, the discharge current feedback target value is input, but the time during which the discharge current does not flow becomes longer. An abnormally high level occurs.
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。 An example of the prior art for this problem will be described with reference to the drawings. FIG. 15 is a block diagram showing the configuration of the main part of a laser oscillation device according to the prior art. Conventionally, a laser oscillation device having a discharge current feedback function as shown in this figure has been used.
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。
A
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。
A target
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。
A signal from an
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。 At the start of laser output, the discharge current target value setter is set in advance until it reaches a discharge start voltage required to discharge from a non-discharge state depending on the circuit constant and laser medium gas of the high voltage power source. During the set rise time, a target value of the discharge current is set and a voltage is output from the high voltage power source.
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。 After that, the target value of the discharge current is set to zero during a preset fall time until the discharge voltage decreases to maintain the discharge depending on the circuit constant of the high voltage power supply and the laser medium gas. Then, the voltage output of the high voltage power supply is stopped.
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）。 After that, the discharge current target value setter sets the target value of the discharge current, restarts the voltage output from the high voltage power supply, and feedback controls the discharge current so that the discharge current becomes a value corresponding to the desired laser output. (For example, refer to Patent Document 1).
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。 However, in the gas laser oscillation device according to the prior art, even if the failure of the discharge at the time of the first voltage boost can be dealt with, the technology alone guarantees the reliability against the discharge failure after restarting the voltage output. Not.
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。 If discharge is not performed for some reason, for example, due to an electrode film or the like, in the configuration of the prior art, discharge is not performed after the second time, and the withstand voltage limit value is reached by continuing target value setting. . This is because when the number of times of zeroing is increased, the timing to reach the pressure limit is delayed, and the problem is not solved.
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。 Therefore, the present disclosure solves the above-described problems, and optimal current control is performed without unnecessary restrictions in feedback control in the normal operation state, and even if the start of discharge is delayed or not performed for some reason, An object of the present invention is to provide a gas laser oscillating device capable of preventing an abnormal voltage from being boosted by suppressing an applied voltage below a certain level.
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。 In order to solve the above problems, a gas laser oscillation device according to the present disclosure is a gas laser oscillation device that obtains a laser output by applying a voltage to a discharge tube having a laser medium gas therein, and outputs the laser output according to the value of a voltage control signal. A voltage generator for controlling the voltage and applying a voltage to the discharge tube; a current detector for detecting a discharge current generated by applying the voltage to the discharge tube; and outputting a voltage value proportional to the discharge current; A target value setting unit that sets a voltage value corresponding to a target value of the discharge current; a differential amplifier that amplifies a difference between an output signal of the current detector and an output signal of the target value setting unit; and the differential amplifier And an adder for adding the output signal of the target value setting unit and the output signal of the adder, and the period until the discharge current is detected is limited so as not to exceed a predetermined value. Said It is obtained by a limiter for outputting a pressure control signal.
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。 With the above configuration, the gas laser oscillation device according to the present disclosure has a predetermined limit value waveform in the feedback control system of the voltage generator that controls the discharge current, and the voltage control signal is limited by the limit value until the discharge starts. By providing a limiter, the maximum value of the voltage control signal is limited until the start of discharge, but the limit is released after the start of discharge, so optimal current control without unnecessary restrictions in normal operation feedback control Even if the start of discharge is delayed or not performed for some reason, the voltage applied to the discharge tube can be suppressed to a certain level so that the voltage is not increased abnormally.
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。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted.
（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。
(Embodiment 1)
<Main configuration of gas laser oscillator>
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a main part of the gas laser oscillation device according to the first embodiment of the present disclosure. A gas
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。
In this figure, a
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。
The
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。
The gas
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。
A discharge current generated by applying a voltage to the laser medium gas in the
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。
The
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。
The difference between the discharge
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The power necessary for the voltage control and boosting described above is supplied from the
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。
As described above, the magnitude of the discharge current is fed back to the voltage control signal 506 of the
＜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。
<Operation of gas laser oscillator>
The feedback control operation of the gas laser oscillation device of the present disclosure configured as described above will be described with reference to the drawings.
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。 FIG. 2 is a timing chart showing a first state of signals of the discharge current feedback system according to the first embodiment of the present disclosure. The horizontal axis of each graph shows the passage of time. The scale is appropriately expanded and contracted for the sake of explanation. However, portions corresponding to the same timing in a plurality of graphs indicate corresponding portions with the same line across the graphs. The vertical axis indicates the level of each signal. The scales between the graphs do not necessarily match.
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。
When a laser output oscillation command is input from the outside, an
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。
The
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。
The
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。
Until the
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。
The
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。
However, since there is a time constant until the high voltage is generated, the
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。
When the discharge starts, the discharge
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。
The
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。
Next, even when the
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。 FIG. 3 is a timing chart showing a second state of the signal of the discharge current feedback system according to the first embodiment of the present disclosure. Similar to FIG. 2, the horizontal axis of each graph indicates the passage of time. The scale is appropriately expanded and contracted for the sake of explanation. However, portions corresponding to the same timing in a plurality of graphs indicate corresponding portions with the same line across the graphs. The vertical axis indicates the level of each signal. The scales between the graphs do not necessarily match.
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。
When a laser output oscillation command is input from the outside, an
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。
In the
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。
The
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。
Until the
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。
The
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。
The
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。
Note that the control for limiting to the limit value VL of the
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。
The estimated transition of the
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。 As described above, according to the gas laser oscillation device of the present embodiment, the feedback control system of the voltage generator that controls the discharge current has a predetermined limit value waveform, and the limit value is used until the start of discharge. By providing a limiter that limits the voltage control signal, the maximum value of the voltage control signal is limited until the start of discharge, but the limit is released after the start of discharge, so there is no limit unnecessary for feedback control in the normal operation state Even if the optimum current control is performed and the start of discharge is delayed or not performed for some reason, the voltage applied to the discharge tube can be suppressed to a certain level so that it is not abnormally boosted.
（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。
(Embodiment 2)
A gas laser oscillation device according to a second embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings. Points that overlap with the description of the first embodiment are simplified or omitted, and different points will be described. Further, the same reference numerals are assigned to the same components.
＜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。
<Main configuration of gas laser oscillator>
FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration of a main part of a gas laser oscillation device according to the second embodiment of the present disclosure. The difference between the configuration shown in this figure and the configuration shown in FIG. 1 resides in the
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。
A gas
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。
In this figure, the
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。
Also, the
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。
The
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。
A first limit value VL1 and a second limit value VL2 are provided as limit values for limiting the output of the
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。
The limit
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）。
The
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）。
The
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。
The
＜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。
<Operation of gas laser oscillator>
The feedback control operation of the gas laser oscillation device of the present disclosure configured as described above will be described with reference to the drawings.
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。 FIG. 5 is a timing chart showing a first state of signals of the discharge current feedback system according to the second embodiment of the present disclosure. The horizontal axis of each graph shows the passage of time. The scale is appropriately expanded and contracted for the sake of explanation. However, portions corresponding to the same timing in a plurality of graphs indicate corresponding portions with the same line across the graphs. The vertical axis indicates the level of each signal. The scales between the graphs do not necessarily match.
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。
When a laser output oscillation command is input from the outside, an
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
Until the
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。
The
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。
However, the
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。 Here, the relationship between the voltage increase rate and the discharge start voltage will be described.
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。 FIG. 6 is a graph showing the correlation between the discharge start voltage and the voltage increase rate according to the second embodiment of the present disclosure. The horizontal axis represents the voltage increase rate, and the vertical axis represents the discharge start voltage. Specific numerical values vary depending on various conditions such as gas pressure, flow velocity, electrode structure, and surface condition. The numerical values are introduced as an example.
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。
As shown in FIG. 6, in general, the discharge start voltage decreases as the voltage increase rate increases. The increase rate of 0.15 KV / μS in the graph indicates the case where the first limit value VL1 equivalent is input as the
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。
When the value of the
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。
Since the time until the start of discharge is determined by the ratio of the discharge start voltage and the voltage increase rate, it is about 240 μs when driven with the first limit value VL1, and less than 100 μs when driven with the second limit value VL2. large. 5, the graph of FIG. 2 is superimposed on the graph of the
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。 Furthermore, when the voltage increase rate is increased, the probability of ignition mistakes due to deterioration of the electrode surface state tends to decrease. Further, the suppression of the discharge start voltage contributes to the miniaturization of the device itself from the viewpoint of securing the insulation distance.
図５に戻って説明を続ける。 Returning to FIG.
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。
When the discharge starts, the discharge
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。
The
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。
Next, even when the
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。 FIG. 7 is a timing chart showing a second state of the signal of the discharge current feedback system according to the second embodiment of the present disclosure. Similar to FIG. 5, the horizontal axis of each graph indicates the passage of time. The scale is appropriately expanded and contracted for the sake of explanation. However, portions corresponding to the same timing in a plurality of graphs indicate corresponding portions with the same line across the graphs. The vertical axis indicates the level of each signal. The scales between the graphs do not necessarily match.
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。
When a laser output oscillation command is input from the outside, an
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。
In the
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。
The
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。
The
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。
The
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。
Until the
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。
The
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。
During the timer ON time Te, the
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。
A broken line represents a transition of the
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。 As described above, according to the gas laser oscillation device of the present embodiment, the feedback control system of the voltage generator that controls the discharge current has a predetermined limit value waveform, and the limit value is used until the start of discharge. By providing a limiter that limits the voltage control signal, the maximum value of the voltage control signal is limited until the start of discharge, but the limit is released after the start of discharge, so there is no limit unnecessary for feedback control in the normal operation state Even if the optimum current control is performed and the start of discharge is delayed or not performed for some reason, the voltage applied to the discharge tube can be suppressed to a certain level so that it is not abnormally boosted.
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。 Furthermore, the second limit value that is larger than the first limit value is set, and the second limit value is used for a predetermined time from the start of the signal for instructing laser irradiation. Can be shortened.
＜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。
<Optimization of various setting values>
First, regarding the set value of the voltage increase rate, the correlation between the discharge start voltage and the voltage increase rate is shown in FIG. In this example, the effect of the present embodiment can be sufficiently achieved by setting the voltage increase rate to about 0.30 kV / μs or more. Therefore, the second limit value VL2 is set such that a value that is about the voltage increase rate or higher is output.
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。 The timer ON time Te is the time until the start of discharge. For example, if the voltage increase rate is set to 0.30 kV / μs and the discharge start voltage is 30 kV, the timer ON time Te may be set to 100 μs. However, since there is a variation in the discharge start voltage, it is desirable to make it a little longer than the above ON time.
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。 However, if the ON time is set too long, an output command larger than the normal command will be entered for that long, and if the discharge does not start due to some disturbance, the output voltage from the high voltage power supply rises all at once and the high voltage power supply Therefore, the ON time of the gate signal is set to be as short as possible.
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。 In the above example, the recommended value is 100 μs to 150 μs. Even when the voltage increase rate is different in a general gas laser oscillation device, the timer ON time Te may be set in the range of 50 μs to 250 μs.
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。
Regardless of the limit setting voltage of the limiter, for example, if the voltage increase rate is set to 0.30 kV / μs, the discharge start voltage is almost the same at any target setting value. However, when the voltage of the
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。
Therefore, when the
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。
Therefore, the voltage of the
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。
In other words, the
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。
Alternatively, it can be dealt with by changing the time during which the second limit value VL2 is applied, that is, the timer ON time Te. The predetermined time for limiting the output value with the second limit value VL2 is set so as to be inversely proportional to the voltage of the
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。
Therefore, the voltage of the
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。
That is, the
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。 In the present embodiment, the description has been given of the example in which the constituent elements of the limiter and the limit value generation unit are separated. However, the limit value control of the voltage control signal is limited to the configuration of the present embodiment as long as equivalent two-stage control can be performed. Is not to be done.
（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。
(Embodiment 3)
A third embodiment of the gas laser oscillation device of the present disclosure will be described with reference to the drawings. Points that overlap with the first and second embodiments will be simplified or omitted, and different points will be described. Further, the same reference numerals are assigned to the same components.
＜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。
<Problem to be solved in the third embodiment>
Conventional kW class gas laser oscillators generally have a configuration in which a plurality of (two or more) discharge spaces described in the first and second embodiments are connected in series in order to obtain a high-power laser beam. Is.
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。
FIGS. 10A and 10B show an example in which two discharge spaces are connected. The plurality of
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。
Further, the
Now, FIG. 10 (a) illustrates the case of normal operation. At this time, a voltage based on the control voltage of the current control unit 909 (configured by the target
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。
Excitation light generated in each
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。
Subsequently, FIG. 10B illustrates a case where the operation is not normally performed. Although voltage application to the
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。
Therefore, when one discharge starts and the discharge start voltage decreases due to a decrease in discharge impedance, a potential difference is generated between the two. At this time, if the length of the
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。
Until now, the length of the
＜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。
<Main configuration of gas laser oscillator>
FIG. 11 is a block diagram illustrating a configuration of a main part of a gas laser oscillation device according to the third embodiment of the present disclosure. The difference between the configuration shown in FIG. 1 and the configuration shown in FIG. 1 is that two
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。
A gas
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。
In this figure, the
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。
Also, the
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。
The
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。
The
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。
When the
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。
That is, the
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。
Note that the left and
＜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。
<Operation of gas laser oscillator>
The feedback control operation of the gas laser oscillation device of the present disclosure configured as described above will be described with reference to the drawings.
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。
Note that the situation in which the discharge is normally started and the case where the discharge is not started due to some abnormality even when the
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。 Here, the case where the above-described abnormal discharge has occurred is described as a third state, and the discharge current feedback control operation in the third state will be described.
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。 FIG. 12 is a timing chart illustrating a third state of the signal of the discharge current feedback system according to the third embodiment of the present disclosure. The horizontal axis of each graph shows the passage of time. The scale is appropriately expanded and contracted for the sake of explanation. However, portions corresponding to the same timing in a plurality of graphs indicate corresponding portions with the same line across the graphs. The vertical axis indicates the level of each signal. The scales between the graphs do not necessarily match.
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。
When a laser output oscillation command is input from the outside, an
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。
The
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。
The
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。
Until the
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。
The
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。
However, since there is a time constant until the high voltage is generated, the
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。
When the discharge starts, the discharge
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。
The
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。
However, if the length of the
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。
Conventionally, as shown by the dotted line at the bottom of FIG. 12, once abnormal discharge current flows, abnormal discharge could not be suppressed. Therefore, this has been avoided by taking the
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。
In the present disclosure, when the discharge current cannot be detected by the
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。
Here, the third limit value VL3 is equal to or higher than the voltage Va3 required for starting the discharge, and the withstand voltage limit of the high-voltage circuit system is determined by the third limit value VL3 in the no-load state where the discharge has not started. The
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。
By doing so, an abnormal discharge current flows, the
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。
When the abnormal discharge current is completely extinguished, it becomes a no-load state where the discharge has not started, and the
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。
When the
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。
At this time, when a sufficient discharge is obtained in the
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。
FIG. 12 illustrates the case where the discharge in the
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。
Each time a discharge is attempted, a slight discharge current flows in the
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。
Note that the control of limiting the
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。 As described above, according to the gas laser oscillation device of the present embodiment, the feedback control system of the voltage generator that controls the discharge current has a predetermined limit value waveform and no discharge current flows. By providing a limiter that limits the voltage control signal with the limit value, the maximum value of the voltage control signal is limited until the start of discharge, but the limit is released after the start of discharge. Even if the optimum current control is performed without unnecessary restrictions and the discharge start is delayed or not performed for some reason, the voltage applied to the discharge tube is kept below a certain level so that it will not be abnormally boosted. In addition to being able to perform, it is possible to stabilize the discharge by suppressing the abnormal discharge and restarting the discharge even if the abnormal discharge occurs after the start of the discharge.
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。 Thereby, it is not necessary to make the non-discharge space longer than necessary, and it is possible to contribute to the downsizing and energy efficiency of the gas laser oscillator.
（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。
(Embodiment 4)
A fourth embodiment of the gas laser oscillation device of the present disclosure will be described with reference to the drawings. In the fourth embodiment, the abnormal discharge suppression function described in the third embodiment is added to the second embodiment. Points that overlap with the description of the first to third embodiments will be simplified or omitted, and different points will be described. Further, the same reference numerals are assigned to the same components.
<Main configuration of gas laser oscillator>
FIG. 13 is a block diagram illustrating a configuration of a main part of a gas laser oscillation device according to the fourth embodiment of the present disclosure. The difference between the configuration shown in this figure and the configuration shown in FIGS. 4 and 11 resides in the operation of the
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。
A gas
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。
In this figure, the
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。
Also, the
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。
The
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。
The
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。
When the
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。
That is, the
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。
A fourth limit value VL4 and a second limit value VL2 are provided as limit values for limiting the output of the
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。 The fourth limit value VL4 is set to a value equivalent to the third limit value VL3 described in the third embodiment.
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。 The second limit value is set to be larger than the fourth limit value, and the setting method is the same as that described in the second embodiment.
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。
The output is limited by the second limit value for a predetermined time from the start of the
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。
After the switching, the output is limited by the fourth limit value VL4, but after receiving the falling edge of the discharge
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。
That is, the limit value is switched again every time triggered by the falling edge of the signal of the
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。
The limit
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）。
The timer 432 outputs a timer signal 508 that is ON for a predetermined time set in advance, starting from the rise of the
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。
The
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。
The timer ON time Tw is set as a time during which the abnormal discharge current sufficiently falls when the
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。
Since the corresponding time is fixedly determined by the discharge circuit constant depending on the composition and pressure of the laser medium filling the
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）。
The
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。
The
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。
The left and
＜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。
<Operation of gas laser oscillator>
The feedback control operation of the gas laser oscillation device of the present disclosure configured as described above will be described with reference to the drawings.
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。 FIG. 14 is a timing chart illustrating a third state of the signal of the discharge current feedback system according to the fourth embodiment of the present disclosure. The horizontal axis of each graph shows the passage of time. The scale is appropriately expanded and contracted for the sake of explanation. However, portions corresponding to the same timing in a plurality of graphs indicate corresponding portions with the same line across the graphs. The vertical axis indicates the level of each signal. The scales between the graphs do not necessarily match.
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。
When a laser output oscillation command is input from the outside, an
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。
The
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。
The
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。
The timer 432 raises the timer signal 508 to ON in synchronization with the rise of the
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。
The
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。
Until the
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。
The
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。
However, the
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。
Here, a voltage rise curve up to the discharge start voltage Va3 when the fourth limit value VL4 equivalent is input as the
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。
When the discharge starts, the discharge
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。
The
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。
However, if the length of the
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。
Conventionally, as shown by a dotted line at the bottom of FIG. 14, once abnormal discharge current flows, abnormal discharge could not be suppressed. Therefore, this problem has been avoided by taking the
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。
In the present disclosure, when the discharge current cannot be detected by the
The
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。
Immediately after the discharge current cannot be detected by the
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。
Here, the fourth limit value VL4 is equal to or higher than the voltage Va3 required for starting the discharge, and the withstand voltage limit of the high-voltage circuit system is determined by the fourth limit value VL4 in the no-load state where the discharge has not started. The
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。
By doing so, an abnormal discharge current flows, the
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。
On the other hand, the
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。
The
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。
By setting the timer ON time Tw as described above, the
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。
When the abnormal discharge current is completely extinguished, a no-load state where the discharge has not started is entered, and the
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。
As described above, the
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。 The timer signal 508 falls to OFF when the timer ON time Te set in advance by the timer 432 elapses.
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。
The
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。
Therefore, the
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。
At this time, when a sufficient discharge is obtained in the
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。
FIG. 14 illustrates the case where the discharge in the
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。
Each time a discharge is attempted, a slight discharge current flows in the
The control limited to the limit
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。 As described above, according to the gas laser oscillation device of the present embodiment, the feedback control system of the voltage generator that controls the discharge current has a predetermined limit value waveform and no discharge current flows. By providing a limiter that limits the voltage control signal with the limit value, the maximum value of the voltage control signal is limited until the start of discharge, but the limit is released after the start of discharge. Even if the optimum current control is performed without unnecessary restrictions and the discharge start is delayed or not performed for some reason, the voltage applied to the discharge tube is kept below a certain level so that it will not be abnormally boosted. In addition to being able to perform, it is possible to stabilize the discharge by suppressing the abnormal discharge and restarting the discharge even if the abnormal discharge occurs after the start of the discharge.
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。 Thereby, it is not necessary to make the non-discharge space longer than necessary, and it is possible to contribute to the downsizing and energy efficiency of the gas laser oscillator.
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。 Further, a second limit value that is larger than the fourth limit value is set, and the second limit value is used for a predetermined time from the start of the signal for instructing laser irradiation. In addition, the discharge start voltage can be lowered, and the withstand voltage limit value of the required high voltage circuit system can be lowered. Therefore, the gas laser oscillator can be effectively reduced in size.
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。 The gas laser oscillation device according to the present disclosure performs optimum current control without unnecessary restriction in feedback control in a normal operation state, and is applied to the discharge tube even if the start of discharge is delayed or not performed for some reason. The voltage can be kept below a certain level so as not to be abnormally boosted, and is useful in an axial flow type gas laser oscillation device of the KW class.
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
100, 200, 300, 400
Claims (6)
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。 A gas laser oscillation device for obtaining a laser output by applying a voltage to a discharge tube having a laser medium gas therein,
A voltage generator for controlling the output voltage according to the value of the voltage control signal and applying a voltage to the discharge tube;
A current detector that detects a discharge current generated by voltage application to the discharge tube and outputs a voltage value proportional to the discharge current;
A target value setting unit for setting a voltage value corresponding to the target value of the discharge current;
A differential amplifier that amplifies a difference between an output signal of the current detector and an output signal of the target value setting unit;
An adder for adding the output signal of the differential amplifier and the output signal of the target value setting unit;
A gas laser oscillation apparatus comprising: a limiter that receives the output signal of the adder and limits the period until the discharge current is detected so as not to exceed a predetermined value and outputs the voltage control signal.
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。 Providing a first voltage value and a second voltage value as predetermined values for limiting the output of the limiter;
Setting the second voltage value larger than the first voltage value;
2. The gas laser oscillation device according to claim 1, wherein the output value is limited by the second voltage value for a predetermined time from the start of a signal for instructing laser irradiation, and thereafter, the gas voltage is switched to the first voltage value.
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。 A detection unit for detecting a voltage of a driving power supply that supplies power of the voltage generation device;
If the detected voltage value of the drive power supply increases, decrease the second voltage value,
The gas laser oscillation apparatus according to claim 2, wherein when the detected voltage value of the drive power supply decreases, the second voltage value is increased.
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。 A detection unit for detecting a voltage of a driving power supply that supplies power of the voltage generation device;
When the detected voltage value of the driving power supply increases, the predetermined time for limiting the output value with the second voltage value is decreased,
4. The gas laser oscillation apparatus according to claim 2, wherein, when the detected voltage value of the driving power supply decreases, the predetermined time for limiting the output value by the second voltage value is increased. 5.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2015190551 | 2015-09-29 | ||
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190122554A (en) | 2018-04-20 | 2019-10-30 | 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤 | Laser apparatus and power supply apparatus thereof |
| TWI733215B (en) * | 2018-11-19 | 2021-07-11 | 日商住友重機械工業股份有限公司 | Power supply device for laser device |
-
2016
- 2016-09-28 JP JP2016189072A patent/JP2017069561A/en active Pending
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