JPH0456375A - 炭酸ガスレーザ制御方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、炭酸ガスレーザの制卸方法およびその装置に
関し、特に直流励起式および高周波励起式の炭酸ガスレ
ーザにおけるフィードバック制御の方法およびその装置
に関する。

従来の技術 第３図は従来の一般的な高速軸流型直流励起式炭酸ガス
レーザ発振器の構成を示している。第２図において、ガ
ラスなどの誘電体からなる放電等１．２には、放電電極
３．４が設けられている。

放電電極３，４には、直流高圧電源５．６の出力、例え
ばＤ　Ｃ１６ｋ　Ｖ　、　８０　ｎ＋　Ａ程度の電圧が
供給されている。放電等１．２内の放電空間では、矢印
Ａ、Ｂ方向に放電が行なわれる。

放電管１．２内の放電空間には、リアミラー（全反射鏡
）７と出力ミラー（部分反射鏡）８とが固定配置され、
これらによって光共振器が構成されている。レーサ出力
９は、出力ミラー８から取り出される。

放電管１．２内のレーザガスは、送気管１０を介して循
環しており、放電およびレーザガスを循環させるブロア
（送風機）１１を通って温度上昇したガスは、熱交換器
１２．１３により冷却される。

第４図は第３図に示した炭酸ガスレーザ発振器における
制御装置の制御ブロックを示している。

第４図において、商用電源２１からの３相２００Ｖの交
流電圧は、整流器２２で整流された後、平滑回路２３で
平滑され、平滑された直流電圧は、インバータ回路２４
に供給される。インバータ回路２４は、高圧トランス２
５を駆動し、高圧トランス２５の２次電圧は、整流器２
６で整流された後、高圧コンデンサ２７で平滑される。

平滑された直流高電圧は、放電管２８に印加され、放電
管２８に流れる放電電流は、放電電流検出回路２って検
出される。

一方、レーザパワー設定回路３０の出力と、レーザパワ
ーの大きさを検出するレーザパワー検出回路３１との出
力は、レーザパワー誤差アンプ回路３２に入力される。

レーザパワー誤差アンプ回路３２の出力は、放電電流検
出回路２９からの出力とともに放電電流誤差アンプ回路
３３に入力される。放電電流誤差アンプ回路３３の出力
は、周波数制御回路（ＰＷＭ（ｆＭ））３４に入力され
、周波数制御回路３４の出力は、トライバ回路３５に入
力されて、インバータ回路２４のパワーＭＯ３−ＦＥＴ
を駆動する。符号３６は放電管２８を制御するための制
御ブロックであり、符号３７は図示されない他の放電管
のための制御ブロックである。

このように、従来の直流励起式炭酸ガスレーザ制御装置
のフィードバック制御は、レーサ出力およびレーザパワ
ーの大きさを設定するレーザパワー設定回路３０の出力
と、レーザパワーの大きさを検出するレーザパワー検出
回路３１の出力とをレーザパワー誤差アンプ回路３２に
入力し、このレーザパワー誤差アンプ回路３２の出力と
放電電流の大きさを検出する放電電流検出回路２９の出
力とを放電電流誤差アンプ回路３３に入力して行なって
いた。

また、高周波励起式炭酸ガスレーザ制卸装置のフィード
バック制御は、前記放電電流検出回路の代わりに高周波
電力検出回路を設け、放電電流誤差アンプ回路の代わり
に高周波電力誤差アンプ回路を設けて行なっていた。

発明が解決しようとする課題 放電電流リップルまたは高周波電力リップルとレーザ出
力リップルとは比例関係にある。前記従来例における放
電電流誤差アンプ回路３３または高周波電力誤差アンプ
回路を用いてリップルを小さくする制御方法は、応答性
を速くするために、また制御精度を上げるために、ゲイ
ンを高くすると急激な放電負荷の変動が生じて、大きな
リップルが発生し、ハンチングが生じる問題点があった
。またパルスモードで周波数が高くなり、パルス輻が２
００　ｕｓｅｃ　〜３００　ｕＳｅｃ程度となると、フ
ィードバック制御ができなくなる問題点があった。さら
にまた、急激な１次電源電圧の変動で大きなリップルが
発生し、ハンチングを発生させていた。特にこの場合は
、フィードバック制御を行なわない場合よりもリップル
が大きくなることがあ　っ　ノこ　。

本発明は、このような従来の問題点を解決するしのであ
り、リップルやハンチングがなく、パルスモートでも安
定したレーザ出力が得られ、しかち１次電源電圧の変動
にも影響されることのない直流励起式または高周波励起
式の炭酸ガスレーザ制御方法およびその装置を提供する
ことを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明は、前記目的を達成するために、１次電源電圧を
整流平滑し、次いで直流定電圧になるようにフィードバ
ック制御し、この直流定電圧をインバータ回路に入力し
て各放電管の放電電流または高周波電力を制御するよう
にしたものである。

本発明はまた、１次電源電圧を整流平滑した直流電圧が
定電圧となるようにフィードバック制御する第１の誤差
アンプ回路と、レーザパワーが一定となるようにフィー
ドバック制御する第２の誤差アンプ回路と、各放電管の
放電電流または高周波電力が一定となるようにフィード
バック制御する第３の誤差アンプ回路とを備え、各フィ
ードバック制御における応答時間を適切に定めたもので
ある。

作用 本発明は、前記構成により、１次電源電圧を整流平滑し
た後、この整流平滑電圧を定電圧化するので、放電電流
誤差アンプ回路または高周波電力誤差アンプ回路の応答
性を緩やかにまたは遅くすることができ、またゲインを
低く設定できるので、急激な放電負荷の変動によるフィ
ードバック制御におけるリップルやハンチングの発生を
防止することができる。また、パルスモードでも、高応
答かつ高ゲインでのフィードバック制御における悪影響
すなわちパルスの立ち上がりでのオーバーシュートやア
ンダーシュートを防止することができる。さらにまた、
急激な１次電源電圧の変動があっても、平滑後の整流平
滑電圧を定電圧化しているので、リップルの発生を防止
することができる。

実施例 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明するが、第
４図に示した従来例とは、１次電源側の平滑回路とイン
バータ回路との間に、定電圧フィードバック回路を挿入
したことが異なるだけなので、従来例と同様な要素には
同し符号を付して説明する。

第１図は本発明の一実施例における直流励起式炭酸ガス
レーザ制御装置の制御ブロックを示している。第１図に
おいて、２１は３相２００Ｖの商用電源であり、２２は
整流器、２３は平滑回路、３８はパワーＭＯ３−ＦＥＴ
を用いた高速のチョッパ回路、３９はフライホイルダイ
オードを内蔵した乎泪回路、４０は定電圧設定回路、４
１は第１の誤差アンプ回路、４２は周波数制御回路（Ｐ
ＷＭ（ｆＭ））、４３はドライバ回路、２４はパワーＭ
　ＯＳ　−Ｆ　Ｅ　Ｔをフルブリッジ接続したインバー
タ回路、２５は高圧トランス、２６は整流器、２７は高
圧コンデンサ、２８は炭酸ガスレーザ発振器の放電管、
２９はＣＴ（カレントトランスンまたはシャント抵抗等
の放電電流検出回路である。

また、３０はレーザパワー設定回路、３１はレーザパワ
ー検出回路、３２は第２の誤差アンプ回路、３３は第３
の誤差アンプ回路、３４は周波数制御回路（ＰＷＭ（ｆ
Ｍ））、３５はドライバ回路である。３６は放電管２８
のための制御フロック、３７は他の放電管のための制御
ブロックである。平滑回路３９の出力は、制御ブロック
３６のインバータ回路２４に入力されるとともに、他の
制御ブロック３７の図示されないインバータ回路にも入
力される。

次に前記実施例の動作について説明する。第１図におい
て、商用電源２１からの３相２００Ｖの交流電圧は、整
流器２２で整流された後、平滑回路２３で平滑され、平
滑された直流電圧は、チョッパ回路３８に供給されて高
周波電圧に変換される。チョッパ回路３８の出力は、平
滑回路３つに入力されて平滑され、平滑回路３９の出力
は、定電圧設定回路４０の出力とともに第１の誤差アン
プ回路４１に入力される。第１の誤差アンプ回路４１で
は、入力された平滑回路３９からの出力電圧と定電圧設
定回路４０からの出力電圧との差を周波数制卸回路４２
に入力し、周波数制御回路４２は、その差がセロになる
ように、ドライバ回路４３を通してチョッパ回路３８の
パワー〜４０ＳＦ　Ｅ　Ｔを駆動する。

このようにして定電圧化された直流電圧は、インバータ
回路２４に供給され、インバータ回路２４の出力は、高
圧トランス２５を駆動する。高圧トランス２５の２次電
圧は、整流器２６で整流された後、高圧コンデンサ２７
て平滑される。二の平滑された直流高電圧は、放電管２
８に印加され、放電管２８に流れる放電電流は、放電電
流検出回路２９で検出される。

一方、レーザパワー設定回路３０の出力と、レーザパワ
ーの大きさを検出するレーザパワー検出回路３１との出
力は、第２の誤差アンプ回路３２に入力される。第２の
誤差アンプ回路３２の出力は、前述の放電電流検出回路
２９からの出力とともに第３の誤差アンプ回路３３に入
力される。

第３の誤差アンプ回路３３の出力は、周波数制御回路３
４に入力され、周波数制御回路３４は、ドライバ回路３
５を通じて、レーサバワーが一定となるように、また放
電電流が一定となるように、インバータ回路２４のパワ
ーＭ　ＯＳ　−Ｆ　Ｅ　Ｔを駆動する。

第１図は放電管が２本の場合を示しているが、４本の場
合は、放電管２８を含む制御ブロック３６の他に、他の
放電管のための制御ブロック３７が３個必要になり、合
計４ブロツクの構成となる。同様にして放電管を６本構
成にしてもよい。

チョッパ回路３８のスイッグーング周波数は例えば３０
ｋＨｚ　〜５０ｋＨｚが選定され、インバータ回路２４
のスイッチング周波数は、例えば１０ｋＨｚ〜４ＱｋＨ
ｚが選定される。

レーザパワー検出回路３１の応答性は、１００Ｈｚ程度
である。

放電電流検出回路２９の応答性は、１ＱｋＨｚ〜２０ｋ
Ｈｚ程度である。

放電管２８に流れる放電電流の応答性は、放電状態によ
っても異なるが、５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度である。

従来のヂョッパ回ｔｓ３８のない構成の場合、平滑回路
２３の平滑電圧に３６０Ｈ２のリップルが生し、このリ
ップルは、第３の誤差アンプ回路３３によるフィードバ
ック制御を行なわなくても放電電流に現われてくる。こ
の結果、放電電流リップルとレーザ出力リップルとは比
例関係にあるので、レーザ加工に悪影背を及ぼすことに
なる。そこで従来は、第３の誤差アンプ回路３３の応答
性を上げ、制御精度を上げるためにゲインを上げて解決
しようとしていたが、前述のごとく負荷が放電負荷であ
るため、フィードバック制御を行なうと放電電流に大き
なリップルおよびハンチングが生じてしまう。また高圧
トランス２５の巻線仕様にもよるが、高圧を得るため２
次巻線ターン数を大きくすると、インダクタンスが大き
くなり、これもフィードバック制御の安定性を困難にし
ていた。

これに対し、本実施例によれば、チョッパ回路３８によ
る定電圧フィードバック回路が、放電電流フィードバッ
ク回路とは全く別の場所に設けられているので、安定し
たフィードバック制御を行なう二とができる。また、イ
ンバータ回路２４にリップルのない電圧を供給し、放電
負荷の不安定さから（るフィードバック制御の不安定さ
を解消する二とができるため、第３の誤差アンプ回路３
３の応答性を遅くし、ゲインを実用上問題ないところま
で低く設定することができる。

また、第３の誤差アンプ回路３３の遅い応答性と低いゲ
インのために、パルスモードでもパルスの立ち上がりで
のオーバーシュートやアンダーシュートを防止すること
ができる。

さらにまた、放電管の電極の消耗に対しても、第３の誤
差アンプ回路３３の遅い応答性および低いゲインのため
、何ら問題は生じない。

一方、第１の誤差アンプ回路４１のフィードバック制御
応答時間をｔ１、第２の誤差アンプ回路３２のそれをｔ
１、第３の誤差アンプ回路３３のそれをｔ３としたとき
、定電圧フィードバック制御を優先してｔｌ＜　ｔｌ＜
　ｊａ、またはｊ＋＜ｊａ＜ｔｌの関係に設定すること
により、安定した放電電流のフィードバック制御を実現
することができる。すなわち、電源電圧の変動の影響を
受けず、放電負荷の変動があってもその変動以上の放電
電流の変動なく、しかも放電負荷の変動は、前述のごと
（５ｋＨｚ〜２０ｋ　Ｈｚと速いので、レーザ加工には
実用上影響を及ぼすことがない。レーザ加工に影響する
のは２．５ｋＨｚ程度以下のリップルだからである。

このように前記実施例によれば、高速定電圧フィードバ
ック制御と、全体を低速電流フィードバック制御するこ
とにより、確実に安定した放電電流およびレーザ出力を
得ることができる。この結果、第２図に示すように、従
来の放電電流波形（イ）に対し、本実施例の放電電源波
形は（ロ）のようになる。

前記実施例は、本発明を直流励起式の炭酸ガスレーザ制
御装置に適用した例であるが、本発明は、高周波出力を
放電管に注入し、高周波放電によって励起されたガス媒
質からレーザ光を発生さぜる複数の放電管を備えた高周
波励起式の炭酸ガスレーザ制御方法およびその装置に対
しても同様に適用することができ、同様な作用効果を得
ることができる。この場合、前記実施例における放電管
の「放電電流」は「高周波電力」と読み替え、「放電電
流検出回路」は「高周波電力検出回路」と読み替えるも
のとする。

発明の効果 以上のように、本発明によれば、１吹型Ｂ　電圧を整流
平滑し、次いで直流定電圧になるようにフィードバック
制御し、この直流定電圧をインバータ回路に入力して各
放電管の放電電流または高周波電力を制御するようにし
たので、放電電流誤差アンプ回路または高周波電力誤差
アンプ回路の応答性を緩やかにまたは遅くすることが゛
でき、ゲインを低く設定することができるので、急激な
放電負荷の変動によるフィードバック制御におけるリッ
プルやハンチングの発生を防止することができる。また
、パルスモードでも、高応答かつ高ゲインでのフィード
バック制御による悪影響すなわちパルスの立ち上がりて
のオーバーシュートやアンダーシュートを防止すること
ができる。さらにまた、急激な１次電源電圧の変動があ
っても、平滑後の整流平滑電圧を定電圧化しているので
、リップルの発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における直流励起式炭酸ガス
レーザ制御装置の制御ブロック図、第２図は第１図に示
す装置の効果を従来例と比較して示す放電電流波形図、
第３図は従来の直流励起式炭酸ガスレーザ発振器の構成
を示す概略斜視図、第４図は第３図に示す炭酸がスレー
サ発振器の制御装置の制御ブロック図である。 ２１・・・商用電源、２２・・・整流器、２３・・・平
滑コンデンサ、２４・・・インバータ回路、２５・・・
高圧トランス、２６・・・整流器、２７・・・高圧コン
デンサ、２８・・・放電管、２９・・・放電電流検出回
路、３ｏ・・・レーザパワー設定回路、３１・・・レー
ザパワー設定回路、３２・・・第２の誤差アンプ回路、
３３・・・第３の誤差アンプ回路、３４・・・周波数制
御回路、３５・・ドライバ回路、３６．３７・・・放電
管のための制御ブロック、３８・・・チョッパ回路、３
９・・・平滑回路、４０・・・定電圧設定回路、４１・
・・第１の誤差アンプ回路、４２・・・周波数制御回路
、４３・・・ドライバ回路。 代理人の氏名　　弁理士　蔵　合　正　博第２図 ｆ＝旨＝３６０Ｈｚ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）直流高電圧を放電管に印加し、直流グロー放電に
   よって励起されたガス媒質からレーザ光を発生させる複
   数の放電管を備えた直流励起式炭酸ガスレーザ制御方法
   において、１次電源電圧を整流平滑し、次いで直流定電
   圧となるようにフィードバック制御し、この直流定電圧
   をインバータ回路に入力して各放電管の放電電流を制御
   することを特徴とする炭酸ガスレーザ制御方法。
2. （２）高周波出力を放電管に注入し、高周波放電によっ
   て励起されたガス媒質からレーザ光を発生させる複数の
   放電管を備えた高周波励起式炭酸ガスレーザ制御方法に
   おいて、１次電源電圧を整流平滑し、次いで直流定電圧
   となるようにフィードバック制御し、この直流定電圧を
   インバータ回路に入力して各放電管に注入する高周波電
   力を制御することを特徴とする炭酸ガスレーザ制御方法
   。
3. （３）直流高電圧を放電管に印加し、直流グロー放電に
   よって励起されたガス媒質からレーザ光を発生させる複
   数の放電管を備えた直流励起式炭酸ガスレーザ制御装置
   において、１次電源電圧を整流平滑し、前記整流平滑さ
   れた電圧を定電圧となるようにフィードバック制御する
   第１の誤差アンプ回路と、レーザパワーを一定となるよ
   うにフィードバック制御する第２の誤差アンプ回路と、
   各放電管に流れる放電電流を一定となるようにフィード
   バック制御する第３の誤差アンプ回路とを備え、前記第
   １の誤差アンプ回路のフィードバック制御応答時間をｔ
   ＿１、前記第２の誤差アンプ回路のフィードバック制御
   応答時間をｔ＿２、前記第３の誤差アンプ回路のフィー
   ドバック制御応答時間をｔ＿３としたとき、これらの時
   間ｔ＿１、ｔ＿２、ｔ＿３が、ｔ＿１＜ｔ＿２＜ｔ＿３
   またはｔ＿１＜ｔ＿３＜ｔ＿２になるように設定したこ
   とを特徴とする炭酸ガスレーザ制御装置。
4. （４）高周波出力を放電管に注入し、高周波放電によっ
   て励起されたガス媒質からレーザ光を発生させる複数の
   放電管を備えた高周波励起式炭酸ガスレーザ制御装置に
   おいて、１次電源電圧を整流平滑し、前記整流平滑され
   た電圧を定電圧となるようにフィードバック制御する第
   １の誤差アンプ回路と、レーザパワーを一定となるよう
   にフィードバック制御する第２の誤差アンプ回路と、各
   放電管に注入する高周波電力を一定となるようにフィー
   ドバック制御する第３の誤差アンプ回路とを備え、前記
   第１の誤差アンプ回路のフィードバック制御応答時間を
   ｔ＿１、前記第２の誤差アンプ回路のフィードバック制
   御応答時間をｔ＿２、前記第３の誤差アンプ回路のフィ
   ードバック制御応答時間をｔ＿３としたとき、これらの
   時間ｔ＿１、ｔ＿２、ｔ＿３が、ｔ＿１＜ｔ＿２＜ｔ＿
   ３またはｔ＿１＜ｔ＿３＜ｔ＿２になるように設定した
   ことを特徴とする炭酸ガスレーザ制御装置。