特許 6162768 補助電極を備えたガスレーザ発振器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6162768

(24)【登録日】2017年6月23日

(45)【発行日】2017年7月12日

(54)【発明の名称】補助電極を備えたガスレーザ発振器

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/0977 20060101AFI20170703BHJP

   H03H 7/38 20060101ALI20170703BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/0977

   H03H7/38 Z

【請求項の数】2

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-197751(P2015-197751)

(22)【出願日】2015年10月5日

(65)【公開番号】特開2017-73420(P2017-73420A)

(43)【公開日】2017年4月13日

【審査請求日】2016年9月14日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100151459

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 健一

(72)【発明者】

【氏名】本田 昌洋

【審査官】 高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−３４４７２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２７４６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６４−０２２０８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２０７３２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０５３４２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１９２１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１６１６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２４７２６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１７８２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１０１１７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６６６５３２７（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ３／００−４／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１経路及び第２経路を含む複数のレーザガス循環経路と、
前記第１経路に設けられた第１放電管と、
前記第２経路に設けられた第２放電管と、
前記第１放電管に第１高周波電力を供給し、前記第２放電管に前記第１高周波電力とは位相が異なる第２高周波電力を供給するレーザ電源と、
前記第１経路における放電負荷とインピーダンスの整合をとるための第１コイル及び第１コンデンサ、並びに前記第２経路における放電負荷とインピーダンスの整合をとるための第２コイル及び第２コンデンサを含むマッチングユニットと、を有し、
前記第１放電管に印加される電圧のピーク値と、前記第２放電管に印加される電圧のピーク値との差が５００〜１０００［Ｖ］の範囲になるように、前記第１コイル、前記第１コンデンサ、前記第２コイル、及び前記第２コンデンサの各値が定められている、
ことを特徴とするガスレーザ発振器。

【請求項2】

前記第１放電管及び前記第２放電管のうち、前記ピーク値が高い方の放電管の近傍にのみ補助電極が備えられている、請求項１に記載のガスレーザ発振器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスレーザ発振器に関し、特に、補助電極を備えたガスレーザ発振器に関する。

【背景技術】

【0002】

２つのレーザガス循環経路に位相が１８０度異なる高周波電力を出力することが可能なレーザ電源を備えたガスレーザ発振器が知られている（例えば、特許文献１及び２）。このようなガスレーザ発振器は、放電負荷（放電管、補助電極、レーザガス）とインピーダンスの整合（放電管電圧が最大となるよう共振）をとるための、コイル及びコンデンサから成るマッチングユニットを備えている。レーザ電源は、マッチングユニットを介して、複数個の放電管及び補助電極に高周波電力を供給する。

【0003】

放電管の放電（主放電）を開始させるためには、補助電極の放電（補助放電）を開始させておく必要がある。補助放電を開始させていない状態で、レーザ電源の出力を高めた場合は、放電管に過大な電圧が印加され、レーザ電源に過大な電流が流れ、その結果、各々が破損するか、あるいはアラームを発生して停止する恐れがある。

【0004】

特許文献１には、レーザガスが循環する放電管の上流側に補助電極を備え、主放電を開始させる前に補助放電から電子を供給することで主放電を安定して確実に開始させる技術が開示されている。しかしながら、放電管の個数分の補助電極が必要となり、コスト削減が困難であるという問題があった。

【0005】

特許文献２には、放電管に貫通穴を設け、補助電極の個数を増やすことで主放電の安定化を図る技術が開示されている。しかしながら、放電管自体のコスト増の他、高価な放電管と補助電極を定期的に交換する必要があった。さらに、補助電極を設けた箇所（Ｏリング）からレーザガスがリークし、レーザパワーの低下やアーク放電による放電管の破損などの重大なリーク障害につながるリスクが増えるという課題があった。

【0006】

このように、従来技術においては、主放電を確実に安定して開始させるためには、放電管に対して同等数の補助電極が必要であるという問題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開昭６０−１６１６８７号公報

【特許文献2】特開２０１３−２４７２６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、従来よりも放電の立ち上がりが速いガスレーザ発振器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一実施例に係るガスレーザ発振器は、第１経路及び第２経路を含む複数のレーザガス循環経路と、第１経路に設けられた第１放電管と、第２経路に設けられた第２放電管と、第１放電管に第１高周波電力を供給し、第２放電管に第１高周波電力とは位相が異なる第２高周波電力を供給するレーザ電源と、第１経路における放電負荷とインピーダンスの整合をとるための第１コイル及び第１コンデンサ、並びに第２経路における放電負荷とインピーダンスの整合をとるための第２コイル及び第２コンデンサを含むマッチングユニットと、を有し、第１放電管に印加される電圧のピーク値と、第２放電管に印加される電圧のピーク値との差が所定範囲になるように、第１コイル、第１コンデンサ、第２コイル、及び第２コンデンサの各値が定められている、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明の一実施例に係るガスレーザ発振器によれば、従来よりも放電の立ち上がりが速いガスレーザ発振器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施例１に係るガスレーザ発振器の構成図である。

【図2】本発明の実施例１に係るガスレーザ発振器におけるレーザ電源、マッチングユニット、放電管、及び補助電極の構成図である。

【図3】本発明の実施例１に係るガスレーザ発振器におけるレーザ電源、マッチングユニット、放電管、及び補助電極の回路図である。

【図4】第１経路及び第２経路の各放電管に位相が１８０°異なる電圧を印加する場合の電圧波形の例である。

【図5】第１経路及び第２経路の各放電管に位相が１８０°異なり、ピーク電圧が異なる電圧を印加する場合の電圧波形の例である。

【図6】第１経路及び第２経路の各放電管にピーク値が同じ電圧を印加する場合と、ピーク値が異なる電圧を印加する場合のレーザ電源をオンしてからの電圧の時間的変化を表す図である。

【図7】本発明の実施例２に係るガスレーザ発振器の構成図である。

【図8】本発明の実施例２に係るガスレーザ発振器におけるレーザ電源、マッチングユニット、放電管、及び補助電極の構成図である。

【図9】本発明の実施例２に係るガスレーザ発振器におけるレーザ電源、マッチングユニット、放電管、及び補助電極の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して、本発明に係るガスレーザ発振器について説明する。

【0013】

［実施例１］
まず、本発明の実施例１に係るガスレーザ発振器について説明する。図１は、本発明の実施例１に係るガスレーザ発振器の構成図である。本発明の実施例１に係るガスレーザ発振器１０１は、複数のレーザガス循環経路（Ｒ１，Ｒ２）と、第１放電管１１１と、第２放電管１２１と、レーザ電源１０と、マッチングユニット２０と、を有している。

【0014】

図１に示した例では、マッチングユニット２０は、第１マッチングユニット２１と、第２マッチングユニット２２と、を備えている。第１マッチングユニット２１は、第１放電管１１１及び第２放電管１２１に接続されており、第２マッチングユニット２２は、第３放電管２１１及び第４放電管２２１に接続されている。

【0015】

本発明の実施例１に係るガスレーザ発振器１０１は、さらに、ガスレーザ発振器１０１の動作を制御するＣＮＣ（コンピュータ数値制御装置）６０と、レーザ媒質であるガス（レーザガス）を循環させるガス循環システム２００と、ＣＮＣ６０及びレーザ電源１０との間に介在するインターフェイス部５０と、を具備している。インターフェイス部５０には、出力指令部５１が設けられており、レーザ電源１０に対して電圧指令を出力する。

【0016】

レーザ電源１０は、ガス循環システム２００の一部を形成する第１放電管１１１及び第２放電管１２１にマッチングユニット２０内の第１マッチングユニット２１を介して電力を付与する。

【0017】

ガス循環システム２００は、連結ホルダ８１を介して互いに連結された第１放電管１１１及び第３放電管２２１と、これらに対して並列に接続されていて合流部８２を介して互いに連結された第２放電管１２１及び第４放電管２２１と、を有している。第１放電管１１１の連結ホルダ８１とは反対側の端部において全反射鏡である第１折返鏡７１が設けられている。第３放電管２２１の連結ホルダ８１とは反対側の端部において部分反射鏡である出力鏡７０が設けられている。第２放電管１２１の合流部８２とは反対側の端部において全反射鏡である第２折返鏡７２とが設けられている。第４放電管２２１の合流部８２とは反対側の端部において、部分反射鏡であるリア鏡７３が設けられている。レーザ光を増幅するための光共振器の構成は、図示された例に限定されない。

【0018】

複数のレーザガス循環経路（Ｒ１，Ｒ２）は、第１経路Ｒ１及び第２経路Ｒ２を含む。第１経路Ｒ１は図１中の矢印Ａ１、Ａ４、Ｃに沿った経路であり、第２経路Ｒ２は矢印Ａ１、Ａ２、Ａ３に沿った経路である。第１経路Ｒ１には第１放電管１１１が設けられ、第２経路Ｒ２には第２放電管１２１が設けられている。なお、連結ホルダ８１を挟んで反対側に設けられたレーザガス循環経路に関して、図１中の矢印Ｂ１、Ｂ４、Ｃに沿った経路を第１経路Ｒ１としてもよく、矢印Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３に沿った経路を第２経路としてもよい。

【0019】

ガス循環システム２００には、励起されて光を発生する性質を有するレーザ媒質であるレーザガスが満たされている。ガス循環システム２００は、ターボブロワ８４を有している。ターボブロワ８４は、吸引側において連結ホルダ８１又は合流部８２を介して第１〜第４放電管１１１，１２１，２１１，２２１の各放電管の一端に接続されるとともに、吐出側において、各放電管の他端に接続されている。このターボブロワ８４によって、レーザガスは、図中の矢印Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４によって示されるようにガス循環システム２００内を循環する。ターボブロワ８４の吸引側及び吐出側には、レーザガスを冷却する第１熱交換器８３及び第２熱交換器８５がそれぞれ設けられている。第１熱交換器８３及び第２熱交換器８５には、冷却水を供給する冷却水循環システム９２が接続されている。また、ガス循環システム２００には、レーザガスの圧力を制御するレーザガス圧制御システム９１が接続されている。

【0020】

第１放電管１１１及び第２放電管１２１は、第１マッチングユニット２１を介して、レーザ電源１０内の第１レーザ電源ユニット１１に接続されている。第３放電管２１１及び第４放電管２２１は、第２マッチングユニット２２を介して、レーザ電源１０内の第２レーザ電源ユニット１２に接続されている。レーザ電源１０内の第１レーザ電源ユニット１１は、第１放電管１１１に第１高周波電力を供給し、第２放電管１２１に第１高周波電力とは位相が異なる第２高周波電力を供給する。同様に、レーザ電源１０内の第２レーザ電源ユニット１２は、第３放電管２１１に第１高周波電力を供給し、第４放電管２２１に第１高周波電力とは位相が異なる第２高周波電力を供給する。

【0021】

図２に、本発明の実施例１に係るガスレーザ発振器におけるレーザ電源、マッチングユニット、放電管、及び補助電極の構成図を示す。第１経路Ｒ１に設けられる第１放電管は図２に１１１，１１２，１１３，…と示すように、複数個接続するようにしてもよい。同様に、第２経路Ｒ２に設けられる第２放電管は図２に１２１，１２２，１２３，…と示すように、複数個接続するようにしてもよい。また、第１放電管１１１，１１２，１１３，…の近傍には、第１補助電極３１１，３１２，３１３，…がそれぞれ形成されている。同様に、第２放電管１２１，１２２，１２３，…の近傍には、第２補助電極３２１，３２２，３２３，…がそれぞれ形成されている。なお、図１に示すように連結ホルダ８１を挟んで反対側に設けられた第２放電管２１１及び第３放電管２２１の近傍には第３補助電極４１１及び第４補助電極４２１がそれぞれ設けられている。

【0022】

図３に、本発明の実施例１に係るガスレーザ発振器におけるレーザ電源、マッチングユニット、放電管、及び補助電極の回路図を示す。マッチングユニット２０内の第１マッチングユニット２１は、第１経路Ｒ１における放電負荷（ガス組成やガス圧、放電管）とインピーダンスの整合（共振）をとるための第１コイルＬ１１及び第１コンデンサＣ１１、並びに第２経路Ｒ２における放電負荷とインピーダンスの整合をとるための第２コイルＬ１２及び第２コンデンサＣ１２を含む。なお、第１コンデンサＣ１１と第２コンデンサＣ１２は節点Ｐで接続され、接点Ｐは接地されている。

【0023】

ＣＮＣ６０は、図示されないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のハードウェア構成を有しており、各種演算処理を実行するとともに、予め定められる動作プログラムに従って、ガスレーザ発振器１０１を制御する制御指令を出力する。

【0024】

第１経路Ｒ１に設けられた第１放電管１１１への印加電圧の周波数と、第２経路Ｒ２に設けられた第２放電管１２１への印加電圧の周波数は同じである。ガスレーザ発振器１０１が必要とするレーザパワーに対して、ガス組成やガス圧が設定される。

【0025】

本発明の実施例１に係るガスレーザ発振器においては、第１放電管１１１に印加される電圧のピーク値と、第２放電管１２１に印加される電圧のピーク値との差が所定範囲になるように、第１コイルＬ１１、第１コンデンサＣ１１、第２コイルＬ１２、及び第２コンデンサＣ１２の各値が定められていることを特徴とする。第１コイルＬ１１及び第１コンデンサＣ１１から算出されるインピーダンスをＺ１とし、第２コイルＬ１２及び第２コンデンサＣ１２から算出されるインピーダンスをＺ２とすれば、Ｚ１≠Ｚ２である。また、インピーダンスがゼロとなる共振周波数ｆはｆ＝１／２π√（ＬＣ）で計算できるが、放電管やレーザガスの定数の計算が困難であるため、測定により求めることが好ましい。

【0026】

従来技術では、印加される電圧の位相が１８０度異なる２つのレーザガス循環経路において等価な定数でマッチングユニットが構成され、各々の負荷である放電管に最も効率良く、等価な放電管電圧が印加される設定となっていた。図４に、第１経路及び第２経路の各放電管に位相が１８０°異なる電圧を印加する場合の電圧波形の例を示す。

【0027】

本発明では、どちらか一方のレーザガス循環経路に設けられた放電管に接続されたコイルのインダクタンス値（巻き数）、若しくはコンデンサの定数を従来通り放電管電圧が最大となるように設定し、もう一方のレーザガス循環経路に設けられた放電管に接続されたコイルとコンデンサは、それよりも所定値だけ低くなるように設定する。図５に、第１経路及び第２経路の各放電管に位相が１８０°異なり、ピーク電圧が異なる電圧を印加する場合の電圧波形の例を示す。図５に示した例では、第２経路Ｒ２に印加する電圧のピーク電圧が、第１経路Ｒ１に印加する電圧のピーク電圧よりも５００〜１０００［Ｖ］低い例を示している。

【0028】

図６に第１経路Ｒ１及び第２経路Ｒ２の各放電管にピーク値が同じ電圧を印加する場合（図６（ａ））と、ピーク値が異なる電圧を印加する場合（図６（ｂ））のレーザ電源１０をオンしてからの電圧の時間的変化を表す図を示す。図６（ａ）に示すように、第１経路Ｒ１の第１放電管１１１及び第２経路Ｒ２の第２放電管１２１にピーク値が同じ電圧を印加する場合は、レーザ電源１０をオンしてから時間ｔ₁後に、第１放電管１１１及び第２放電管１２１においてほぼ同時に放電が開始される。このときの放電管電圧ピーク値をＶ_Ｐ１とする。一方、図６（ｂ）に示すように、第１経路Ｒ１の第１放電管１１１の放電管電圧を従来通りとし、第２経路Ｒ２の第２放電管１２１の放電管電圧を所定値だけ低くする。そうすると、第１放電管１１１は時刻ｔ_１´（＜ｔ_１）において放電を開始し、第２放電管１２１は時刻ｔ₁´よりも所定時間だけ後の時刻ｔ₂において放電が開始される。第２放電管１２１が放電する前に、第１放電管１１１が放電しているため、この放電が種火となって、第２放電管１２１は、補助電極による放電がなくても従来よりも低い電圧で放電を開始することができる。従来は第１放電管１１１と第２放電管１２１を同時に放電させる必要があるが、本発明では第１放電管１１１のみ先に放電させるため、従来よりも低い電圧Ｖ_Ｐ１´（＜Ｖ_Ｐ１）で第１放電管１１１の放電が開始される。その結果、従来のｔ_１からｔ_１´に放電の立ち上がりが速くなる。

【0029】

一例として、図５に示すように、放電管への最大印加電圧が４５００［Ｖ］の場合、２つの経路の放電管に印加するピーク値の差は５００〜１０００［Ｖ］の範囲が好ましい。片方の経路の下げ幅が１０００［Ｖ］を超えると第１経路と第２経路の絶縁距離をより大きく確保する必要があり、ユニットサイズが大きくなる、絶縁破壊のリスクが大きくなるというデメリットが生じるおそれがある。また、放電管印加電圧を下げ過ぎると十分なレーザパワーが得られなくなる。電圧差が５００［Ｖ］より小さい場合は、従来技術と同様に本願発明の効果は得られなくなり、放電管電圧が低い方の経路は補助電極が必要となる。

【0030】

以上の説明においては、第１経路Ｒ１に接続されたマッチングユニットのコイル及びコンデンサの値と第２経路Ｒ２に接続されたマッチングユニットのコイル及びコンデンサの値が異なるように設定する場合を例示したが、レーザ電源内部で類似の構成を設ける方法や、電源内部の出力トランスの巻き数等を変えることによっても第１放電管と第２放電管の印加電圧のピーク値を変えることができる。

【0031】

［実施例２］
次に、本発明の実施例２に係るガスレーザ発振器について説明する。図７は、本発明の実施例２に係るガスレーザ発振器の構成図である。本発明の実施例２に係るガスレーザ発振器１０２が、実施例１に係るガスレーザ発振器１０１と異なっている点は、第１放電管１１１及び第２放電管１２１のうち、ピーク値が高い方の放電管の近傍にのみ補助電極が備えられている点である。実施例２に係るガスレーザ発振器１０２のその他の構成は、実施例１に係るガスレーザ発振器１０１における構成と同様であるので詳細な説明は省略する。

【0032】

図８に、本発明の実施例２に係るガスレーザ発振器におけるレーザ電源、マッチングユニット、放電管、及び補助電極の構成図を示す。また、図９に、本発明の実施例２に係るガスレーザ発振器におけるレーザ電源、マッチングユニット、放電管、及び補助電極の回路図を示す。図９において、第１経路Ｒ１に接続された第１マッチングユニット２１の第１コイルＬ１１及び第１コンデンサＣ１１の値は印加電圧のピーク値が最大となるように設定されている。一方、第２経路Ｒ２に接続された第１マッチングユニット２１の第２コイルＬ１２及び第２コンデンサＣ１２の値は印加電圧のピーク値が第１経路Ｒ１における印加電圧のピーク値より所定の値だけ小さくなるように設定されている。その結果、図６に示したように、実施例１と同様に、第１経路Ｒ１における放電が種火となって、第２経路Ｒ２において放電が行われる。そのため、実施例２におけるガスレーザ発振器においては、第２経路Ｒ２における補助電極を省略することができる。

【0033】

以上の説明においては、第２経路Ｒ２における補助電極を省略する例を示したが、第１経路Ｒ１の印加電圧を第２経路Ｒ２における印加電圧より小さくすることにより、第１経路Ｒ１における補助電極を省略するようにしてもよい。

【0034】

実施例２に係る発明によれば、補助電極の個数を従来に比べて半数にすることが可能となり、装置のコスト減、リーク障害などのリスク低減を実現できる。また、補助電極と放電管（主電極）が独立する構成のため、印加電圧が低い補助電極は定期的な交換が不要（ランニングコスト低減）となるという効果も得られる。

【符号の説明】

【0035】

１０ レーザ電源
１１ 第１レーザ電源ユニット
１２ 第２レーザ電源ユニット
２０ マッチングユニット
２１ 第１マッチングユニット
２２ 第２マッチングユニット
５０ インターフェイス部
５１ 出力指令部
６０ ＣＮＣ
７０ 出力鏡
７１ 第１折返鏡
７２ 第２折返鏡
７３ リア鏡
８１ 連結ホルダ
８２ 合流部
８３ 第１熱交換器
８４ ターボブロワ
８５ 第２熱交換器
９１ レーザガス圧制御システム
９２ 冷却水循環システム
１１１ 第１放電管
１２１ 第２放電管
２１１ 第３放電管
２２１ 第４放電管
Ｒ１ 第１経路
Ｒ２ 第２経路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】