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    公开号:WO1988008632A1
    申请号:PCT/JP1988/000424
    申请日:1988-04-28
    公开日:1988-11-03
    发明作者:Norio Karube；Akira Egawa；Etsuo Yamazaki；Nobuaki Iehisa；Mitsuo Manabe
    申请人:Fanuc Ltd；
    IPC主号:H01S3-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書 レーザ発振装置 ， 技 術 分 野
    [0002] 本発明は金属などの切断加工用大出力用のレーザ発振装置 に関する。 より詳細には安定 た高周波放電励起のできる レ 一ザ発振装置に関する。 背 景 技 術
    [0003] 高周波励起軸流 C 0 2 レーザは高出力でかつ安定した発振 が可能であり、 開発がすすめられており、 このよ う な例とし て本出願人による特願昭 6 '1 - 2 4 3 2 1 2号がある。
    [0004] 従来の軸流型高周波放電励起レーザ発振装置の例を第 1 0 図に示す。 図において、 1 は放電管であり、 図では 4本で構 成した例を示しているが、 出力に応じて種々の本数が使用さ れる。 2 は全反射鏡、 3 は'出力結合鏡であり、 2個の鏡は正 確に位置が決められている。 4 はレーザ光を示す。 放電管 1 の各セグメ ン 卜にはガスの出入口が設けられており、 それは 1 台のルー ツブローヮ 7 に結合されている。 5及び 6 は冷却 機であり、 放電ならびにルー ツブロ ワ で発熱したレーザガス を冷却する。 放電管 1及びガス送風管内のガス流の方向は矢 印で示してある。 8 a、 8 b〜 1 1 a、 1 1 b は電極であり、 それぞれの高周波電源 1 2、 1 3、 1 4及び 1 5·に接続され ている。 放電管 1 内のガス流は約 1 0 0 inノ秒であり、 高周 波電源 1 2 〜 1 5からの高周波電圧によつて放電が行われ、 レーザビームが発振増幅される。
    [0005] 従来の高周波電源の原理図を第 1 1図に示す。 図において. - 1 6 ば D C電源である。 1 7 は高周波 （R F ) 電源である。 D C電源 1 6 の D C出力は高周波電源 1 6 に出力される。 高 周波電源 1 7 は 4個の F E T 1 8〜 2 1 で構成されるブラ ン チ回路、 昇圧ト ラ ンス 2 2、 ィ ンビーダンス整合回路 2 3で 構成されている。 その出力は放電管 1 に電極 8 a 1 、 8 a 2 - を介して結合されている。 2 4は C Tコ イ ルであり、 放電管 1 の電流.を検出する。 2 5 ば電流帰還ライ ンであり、 電流を 帰還し放電管 1への電流が一定になるように制御している。 このような高周波励起レーザは通常の D C励起レーザに比較 して、 — *
    [0006] i ) 無電極放電のため電極材料劣化にまつわる問題がない, . ( U ) ノ ラス ト抵抗が不要である。
    [0007] iii ) 陰極降下がなく高エネルギー効率が得られる。 . iv ) 低電圧動作が可能であり、 オペレータにたいして安全 である。
    [0008] ) C 0 2 分子の解離率が低く. ラ ンニングコス トが低い。 ( vi ) パルス特性が優れている。
    [0009] vii ) 装置形拔が小型にできる。
    [0010] yiii ) 周波数を充分高くすることにより、 電子捕捉現象が利 用できる。
    [0011] ( ix ) 放電材料の選択の自由度が高い-。 ^ 等の数数の長所を有する。 - しかし、 このような高周波レーザ発振装置ではプラズマ結 合にもとずく放電開始前後の電流及び電圧の振動現象がある。 第 1. 1図で示す構成で放電管 1 の電流を放電管 1 の放電電流 のフィ ー ドバック制御を行う とき、 1 〜 1 0 H 2程度の振動 · 現象が起きる。 この結果、 D C電源 1 6に各種のアラームを 発生したり、 F E T 1 8 〜 2 1等が破壊する等の問題点があ つ / 発 明 の 開 示
    [0012] 本発明の目的は上記問題点を解決し、 このような振動現象 によって、 D C電源にアラームを発生したり、 F E T等の素 子の破壊す'ることのない高周波レーザ発振装置を提供するこ とにある。 .
    [0013] 上記の問題点を解決するために、
    [0014] 第 1 の発明では、
    [0015] 誘電体からなる複数の放電管に高周波電圧'を印加して高周 波放電 ·を行わせてレーザ励起を行わせる レーザ発振装置にお いて、
    [0016] ίΐ流電源を高周波電源出力に変換する高周波電源と、
    [0017] 放電管を流れる電流を検出し、 かつ隣接する放電管間の相 互電流も検出できる位置に設置された電流検出器と、
    [0018] 該電流によって高周波電源の出力電流を帰還制御するよう に構成したこ とを特徴とする レーザ発振装置が、
    [0019] 提供される。 '
    [0020] 第 2 の発明では、 · - 誘電体からなる複数の放電管に高周波電圧を印加して高周 波放電を佇わせてレーザ励起を行わせる レーザ発振装置にお いて、
    [0021] 直流電源を高周波電源出力に変換する高周波電源と、
    [0022] 各高周波電源を駆動する共通信号源と、
    [0023] 放電管の電流を検出する電流検出器と、 ·
    [0024] 該電流によつて高周波電源の出力電流を帰還制御するよう に構成したことを特徴とする レーザ発振装置が、
    [0025] 提供される。
    [0026] 第 3の発明では .
    [0027] 誘電体からなる複数の放電管に高周波電圧を印加して高周 波放電を行わせてレーザ励起を行わせるレーザ発振装置にお いて、
    [0028] 直流電源を高周波電源岀力に変換する高周波電源と、
    [0029] 各高周波電源を駆動する周波数の異-なる信号源と、.
    [0030] 放電管の電流を検出する電流検出器と、
    [0031] 該電流検出器の信号の高周波成分を除去する D—パス フ ィ . ノレタと、
    [0032] 該口一パスフィルタによつて高周波成分を除去された電流 信号によつて高周波電源の出力電流を帰還制御するように構 成したことを特徴とする レーザ発振装置が、
    [0033] 提供される。 . .
    [0034] 第 4の発明では、
    [0035] 誘電体からなる複数の放電管に高周波電圧を印加して-高周波 放電を行わせてレーザ励起を行わせる レーザ発振装置におい て、
    [0036] 直流電源を高周波電源出力に変換する並列接続された高周 波電源と、
    [0037] 放電管を流れる電流を検出し、 かつ隣'接する放電管間の相' 互電流も検出できる位置に設置された電流検出器と、
    [0038] 該電流によつて高周波電源の出力電流を帰還制御するよう .に構成したことを特徴とする レーザ発振装置が、' . 提供される。
    [0039] 第 5 の発明では、
    [0040] 誘電体からなる複数の放電管に高周波電圧を印加して高周 波放電を行わせてレーザ励起を行わせる レーザ発振装置にお いて、
    [0041] 直流電源を高周波電源出力に変換する高 波電源と、- 放電管を流れる電流を検出する電流検出器と、
    [0042] 放電間の中間にアースされた補助電極とを有し、
    [0043] 前記電流信号を帰還し、 高周波電源の出力電流を帰還制御 ' するよう。に構成したことを特徴とする レーザ発振装置が、
    [0044] 提供される。
    [0045] 上記の問題点の原因となるのは、 各電極間の相互電流に起 因する。 簡単のために 2個の電極の場合について説明する。
    [0046] 第 2図に電極管の電流を説明するための図を示す。 1 は放電 管であり、 それぞれ、 電極 8 a 1 、 8 a 2及び 8. b 1 、 8 b 2 の.電極に高周波電源 2 6 a及び 2 6 bから高周波電圧が印 力 Πされる。 こ こ で、 - 高周波電源 2 6 a の周波数を f 1 、 電圧を e 1 位相を ø i 、 イ ンバ タ 2 6 bの周波数を f 2、 電圧を e 2位相を ø 2 とする。 図中ロ ゴスキーコ イ ルの位置として C T 1、 C T 2、 C T 3の 3つ場合を考える。 以下にこの 3っコィルの電流に ついて述べる。 放電.間 1 の放電電流には次の 3種類がある。 . 管内放電電流 = I d
    [0047] 管間結合電流 = I s
    [0048] 電源損失電流 = I r
    [0049] ここで、 放電電流 I dは放電電極 8 a、 8 b間のイ ンピー - ダンスを Zとすると
    [0050] 0 I d = _e / Z
    [0051] である。 .
    [0052] 詧間結合電流 I s は隣接する放電管の電極間で流れる電流 ' であり、 特にガスの下流で電離されたイオンが残存するので 高周波で変位電流として流れる。 電極 8 a 1及び 8 b 1 の間5 のイ ンピーダ ンスを 2 とすると、 z は放電の不安定性にもと
    [0053] ずき所謂グ口一放電からアーク放電に移行すると突然減少を - 示すなど Γ. s -は制御が困難である。 また、 1 s は e i 、 e 2 間の位相差に :よつても変化する。
    [0054] 損失電流 I r はここでば電源内部からァ，スに流失する電 ひ 流であり、 アース点から回路に帰還し、 一般に温度によって
    [0055] 大き く左右される。
    [0056] 以上から各 C Tの電流を求めると以下のようになる。
    [0057] • 〔 C T 1 の電流 I t :
    [0058] I , = I d + I s ( e 1 と e 2が同位相） .5 I i = I d 十 3 I s ( e l と e 2が逆位相） 一般的には、
    [0059] I 1 = I d + {2-sin2 π (f l-f2) t} 1 s
    [0060] = e / Z + e {2-sin2 (f 1- f2) t} / Z
    [0061] 〔 C T 2 の電流 I 2 〕
    [0062] I z = I d + I s ( e l と e 2が同位相）
    [0063] I 2 - I d ( e 1 と e 2が逆位相）
    [0064] 一般的には、
    [0065] I , = I d + I s {l-sin2 π (f l-f2) t} / 2
    [0066] = e / Z + e {l-sin2 π (f l-f2) t} / 2 z
    [0067] 〔 C T 3 の電流 I 3 〕
    [0068] I 3 = I . + I r .
    [0069] これを、 図に表すと第 3図が得られる。 図において、 横軸 は電圧 e 1 、 e 2 の位相差、 縦軸は各電流'の値を示す。 各曲 線は I , 、 I 2 、 I 3 の値を示す。 但し、 I 3 は温度によつ て変動するので図では帯状に示されている。
    [0070] 〔第 1 の発明の作用〕
    [0071] 第 3図から I τ の電流は e 1 と e 2が同位相のときは最大 値 d + I s ) をとるが逆位相 （位相差が π ) のとき最低 値 （ I d = I — I s ) をとる。 ここで I は電源から供給され る全電流である。 前述したように、 I s はアーク放電になる ことがあり、 このとき放電管間のィ ンピーダンス z は著し く 減少するので I s は全電流 I のかなりの部分をしめるこ とと なり、 I d は急激に減少する。 この結果フ ィ 一 ド ノ ッ ク作用 によ り高周波電源 2 6 a の電流が急激に增加し、 第 1 1 図に 示す F E T 1 8 〜 2 1 が破壌する等の現象が生じる。 従って、 フ ィー ドバック電流として I ！ ( C T 1 ) または I 3 ( C T 3 ) を使用すればよい。
    [0072] 但し、 I ！ ( C T 1 ) を検出電流として使用するときは、 C T 1 は高電圧側にあるので、 これに使用するロ ゴスキーコ ィ ルは高電圧に耐えるものでなければならない。
    [0073] 〔第 2の発明の作用〕
    [0074] 次に放電開始前は電圧の、 開始後ば電流の振動現象がある < 前者は規定電圧を容易に越えることから電源の各種のアラー ムを発生させ装置を停止させたり、 最悪時には F E T等を破 壌する。 後者はレーザ岀力の不安定性の原因となる。 これは どの雩流をフ ィ ー ドバック電流としてもおこるが、 ( C T.1 ) を使用して述べる。
    [0075] I 1 = 1 d Ct) ÷ I s {2-sin2 π (f 1-f 2) t}
    [0076] であるが、 フィ ー ドバック時には I (〇丁 1 ) 'がー定値1： に維持されるので I d (t) は、
    [0077] I d (t) = K - I s [2-sin2 π (f l-f2) t} ' となって- ( f 1 - f 2 ) の周期で変動する。 使用している駆 動信号源の水晶発振器の精度は 6桁程度であるので、 （ ί 1 一 f 2 ) の周期は 1 〜 1 0 Η ζ程度となる。 放電開始前の振 動も略同様である。
    [0078] 従って、 各鼋極に印加される雩圧の位相を同一にすること により、 振動を除去する。 - 〔第 3 の発明の作用〕
    [0079] 第 2 の発明と逆に各電源の周波数を大幅に異ならすことに より、 帰還電流信号 A C成分をロ ーパスフ ィ ルタで除まする こ とによ り、 振動分を除去する。
    [0080] 〔第 4の発明の作用〕
    [0081] 放電管を共通の並列結合電源で駆動するこ とにより、 振動 を除去する。 〔第 5 の発明の作用〕
    [0082] 放電管の中間に電極を設け、 相互電流の影響を除まする。 図 面 の 簡 単 な 説 明 第 1図は第 1 の実施例の回路図、
    [0083] 第 2図は電極相互間の電流の状態を示す図、 . 第 3図は各電流検出器の電流を示す図、 - 第 4図は第 2実施例の回路図、
    [0084] 第 5図は第 3実施例の回路図、 ' 第 6図は第 4実施例の回路図、
    [0085] 第 7図は第 4実施例の第 1 の変形の回路図、
    [0086] 第 8図は第 4実施例の第 2 の変形の回路図、
    [0087] 第 9図は第 5 の実施例の構成図、
    [0088] 第 1 0図は従来の軸流型 R F放電励起レーザ発振装置の原 理図、 - 第 1 1 図は従来のレーザ励起用高周波電源回路の原理図で ある
    [0089] 、 発明を実施するための最良の形態
    [0090] 以下本発明の実施例.を図面に基づいて説明する。 -
    [0091] 〔第 1実施例）
    [0092] 第 1図に第 1 の実施例の回路図を示す。 図において、 2 6 a及び 2 6 b は高周波電源、 2 2 a及び 2 2 bは昇圧トラ ン ス、 2 3 a及び 2 3 はィ ンピ一ダンス整合回路、 1 は放電 管であり、 C T l a、 C T l b、 C T 2 a、 C T 2 b C Τ 3 a、 C T 3 bはそれぞれ電流検出器 （ロゴスキ一コイ ル） である。 図から明らかなように、 左右ば同一の回路を構成し ているので、 左側の回路で説明する。
    [0093] こ こで、 〔作用〕 の所で説明したように、 C T 1 a又は C T 3 aを帰還電流として使用することにより、 電極間 （ 8 a 1、 8 a 2 と 8 b ]_、 8 b 2 ) との結合電流による電流暴走 を避けることができる ό C Τ 1 a と C T 3 a のいずれを使用 するかは一長一短がある。 C T 1 aを使用すれば電源損失電 流 I r (ケース電流） の影響を受けないが、 電圧が高い。 逆 に、 C T 3 aを使用すれば電源損失電流 I r の影響を受ける 力 電圧ば低く電流検出器として低電圧のものを使用できる, 〔第 2実施例〕
    [0094] 第 4図に第 2実施例の回路図を示す。 第 1図と同一の構成 要素には同一の記号が付けられてお.り、 その説明は省略する 1 本実施例では高周波電源 2 6 a及び 2 6 bを同一の信号源
    [0095] (同一ク ロ ッ ク） 3 3で駆動すれば位相差による電極間の影 響による電圧及び電圧の不安定を解決することができる。 信 号源 3 3 は 1個の水晶発振器を有し、 この 1個の信号源によ
    [0096] 5 つて高周波電源 2 6 a及び 2 6 bを駆動する。 但し、 電極の 数が増加する フ ィ ー ドノ ッ ク信号ラ イ ン 3 4 a及び 3 4 bが 長く なり、 ノ ィ ズ対策を充分に；^すこ とが必要である。
    [0097] 〔第 3実施例〕
    [0098] 10 第 5図に第 3実施例の回路図を示す。 第 1 図及び第 4図と 同一の構成要素には同一の符号が付けてあり、 その説明は省
    [0099] , 略する。 図において 1 6 は D C電源であり、 3 5 はロ ーパス .
    [0100] フ ィルタである。 この実施例.では第 2 の実施例と逆に各電源 毎に駆動周波数を異ならせることで'あり、 例え,ば ί 1 = 2 . '15 H z 、 f 2 = 2. 1 M I-I z とすれば、 このときの I ！ ( C T
    [0101] 1 ) の電流は、
    [0102] 1 , = 1 d - 2 I s + Α ·0· ( 1 0 0 Κ Η ζ )
    [0103] となり、 直流分と A C成分の和になる。 これを、 1 0 K H z をカ ツ トオフ周波数とする 口 一パスフ ィ ルタを使用すれば A
    [0104] 20 C成分は除去されて D C成分のみが残り、 安定な電流制御が 可能となる。
    [0105] 同様に第 1·図の C T 2、 C T 3 の位置に電流検出.器を設置 した場合の電流は、
    [0106] I 2 = 1 d I s / 2 ÷ A C ( 1 0 0 K H z ) .
    [0107] 25 I 3 = l d - 2 I s ^ I r -f- A C (100 K H z ) となり、 この場合はどの位置に電流検出器をおいても安定な 電流制御を行う ことができる。
    [0108] 〔第 4実施例;；'
    [0109] 第 6図に第 4の実施例の部分構成図を示す。 図において、 第 2図と同一の要素には同一の符号が付してあり、 その説明 は省赂する。 ここでは高周波電源 2 6を 1個にして、 1個の 高周波電源 2 6で電源を供給している。 電極間はリ ー ド線 3— . 6で結合してある。. 図では 2個の電極が結合されている力、'、 電源の容量 出力ヮ ッ ト数に応じて適宜組合せ倔数を選択す ることができる。 - . 第 7図にさ らに 4個の高周波電源 2 6 a〜 2 6 dを並列に 接繞した例を示す。 第 4図及び第 S図と同一の要素には同 '一 の符号が付けてあり、 同一の部品の 3番目及び第 4番目の都 品にばそれぞれ c、 dのサフィ ックスが付してある。 冬電源 にはバラス ト用のイ ンダクタ ンス L 1〜 L 4が直列に結合し、. これを並列接続してある。 ざらに、 平滑用にコ ンデ ンサ C 1 と L 5が接続されている。
    [0110] 第 8図に同一の高周波電源 4個を並列に接続した例を示す。 この例では図示されていないが各電源の内部に 1 0〜 3 0 % 程度の損失回路を有し、 万一いずれかの高周波電源が破壌し てもその影響が他の高周波電源に影響していように安全を図 つている。 〔第 5実施例〕 . 第 9図に第 5 の実施例の構成図を示す。 図において、 第 2 図と同一の要素には同一の符号が付してあり、 その説明は省 略する.。 但し、 左側の回路の電流にはサフ ィ ッ クス a を右側 の電流にはサフ ィ ックス bを付けて区別してある。 このサフ イ ツ クスを取れば作用の個所で述べた電流と一致する。 この 実施例では電極 8 a及び 8 bの中間に第 3 の電極 3 7を設け、 これをアースに接続している。 図に示すようにこの電極 3 7 よって、 相互電流 I s a及び I s bが流れるこ とにより、 相互電流によるプラズマ結合を防止する ことができる。 これ は電気的には簡単な方法であるが、 I s が電極 3 7 が無い場 合比べて増加するので、 1 s がアーク放電に移行するのを防 ぐために電極' 3 7 と電極 8 a及び 8 bの距離を放鼋管両電極 間の約 2倍程度とる必要がある。 これ'は電極 3 7 に流人する 時は一方の放電管甓による Cバラス トを受けないためである。
    [0111] 以上説明したように本発明では、 電極間の枏互電流の影響 を受けないないよ.う に構成したので、 フ ィ 一 ドノ ッ クル一フ。 の暴走による各種のアラームの発生、 F E T等の半 体部品 の破損等を防ぎ安定した電流制御を行う こ とができる。
    权利要求:
    Claims請 求 の 範 囲
    1 . 誘電体を柽て複数の放電領域に高周波電圧を印加して 高周波放電を行わせてレーザ励起を行わせる レーザ発振装置 において、
    直流電源を高周波電源出力に変換する高周波電源と、
    放電眚を流れる電流を検出し、 かつ隣接する放電管簡の相 互電流も検出できる位置に設置された電流検出器と、
    該電流によつて高周波電源の出力電流を帰還制御するよう に構成したことを特徴とするレーザ発振装置。
    2 . 前^電流検出器は放電管の高圧側に設置され.たことを 特徴とする特許請求の範囲第 1項記載のレーザ発振装置。
    ― 3 . 前記電流検出器は放電管のア ース点と低電圧側'間に設 '置されたことを特徴とする特許請求の範囲第 1項記載のレ— ザ発振装置。
    4 . 誘電体を経て複数の放電領域に高周波電压を印加して 高周波放電を行わせてレーザ励起を行わせる レーザ発振装置 において、 、 - . 直流電源を高周波電源出力に変換する高周波電源と、
    各高周波電源を駆動する共通信号源と、
    放電管の電流を検出する電流検出器と、
    該電流によつて高周波電源の出力電流を帰還制御するよう に構成したことを特徴とする レーザ発振装-置。 -
    5 . 誘電体を経て複数の放電領域に高周波電圧を印加して 高周波放電を行わせてレーザ励起を行わせる レーザ発振装置 において、 - 5 -
    直流電源を高周波電原出力に変換する高周波電源と、 各高周波電源を駆動する周波数の異なる信号源と、
    放電管の電流を検出する電流検出器と、
    ミ^秀
    該電流検出器の信号の高周波成分を除まする口一パス フ ィ ルタ と、
    該ロ ーバス フ ィ ルタによって高周波成分を除去された電流 信号によって高周波電源の出力電流を帰還制御するように構 成したこ とを特徴とする レーザ発振装置。
    6 . 誘電体を経て複数の放電領域に高周波'電圧を印加して ' 高周波放電を行わせてレーザ励起を行わせる レーザ発振装置 において、
    直流電源を高周波電源出力に変換する並列接続された高周 波電源と、
    放電管を流れる電流を検出し、 かつ隣接する放電管間の相 互電流も検出できる位置に設置された電流検出器と、 - 該電流によつて高周波電源の出力電流を帰還制御するよう に構成したこ とを特徴とする レーザ発振装置。
    電体を柽て複数の放電領域に高周波電圧を印加して 高 Γ波放電を行わせてレーザ励起を行わせる レーザ発振装置 において、
    直流電源を高周波電源出力に変換する高周波電源と、 放電管を流れる電流を検出する電流検出器と、
    放電間の中間にアースされた補助電極とを有し、
    前記電流信号を帰還し、 高周波電源の出力電流を帰還制御 するように構成したことを特徴とする レーザ発振装置。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    JPS63273376A|1988-11-10|
    DE3879624T2|1993-07-01|
    EP0315691A1|1989-05-17|
    EP0315691B1|1993-03-24|
    DE3879624D1|1993-04-29|
    EP0315691A4|1989-04-27|
    US4887272A|1989-12-12|
    JPH0736458B2|1995-04-19|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1988-11-03| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
    1988-11-03| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): DE FR GB |
    1988-12-21| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1988903939 Country of ref document: EP |
    1989-05-17| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1988903939 Country of ref document: EP |
    1993-03-24| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1988903939 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP62/107825||1987-04-30||
    JP10782587A|JPH0736458B2|1987-04-30|1987-04-30|レ−ザ発振装置|DE19883879624| DE3879624T2|1987-04-30|1988-04-28|Laser oszillator.|
    DE19883879624| DE3879624D1|1987-04-30|1988-04-28|Laser oszillator.|
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