CN110391582B - 激光装置及其电源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高了可靠性的激光装置。高频电源(400)向包含一对放电电极(202、204)的电容的谐振电路(210)施加高频电压(VRF)。过电压抑制电路(500)抑制谐振电路(210)的两端之间的过电压。若保护电路(550)检测出异常，则保护电路(550)停止来自高频电源(400)的高频电压(VRF)的施加。
Description
本申请主张基于2018年4月20日申请的日本专利申请第2018-081678号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。
技术领域
本发明涉及一种激光装置。
背景技术
作为工业用加工工具，广泛普及有激光加工装置。激光加工装置使用CO2激光器等高输出的气体激光器。图1是激光装置100R的框图。激光装置100R具备激光谐振腔200及电源装置250R。激光谐振腔200具备一对放电电极202、204、全反射镜206及部分反射镜208。
一对放电电极202、204设置在填充有CO2等激光介质气体的气体腔内。在一对放电电极202、204之间存在静电电容C。该静电电容C与电感器L(电感器元件或寄生电感器)形成具有谐振频率fRES的谐振电路210。
电源装置250R向谐振电路210施加高频电压VRF。高频电压VRF的频率fRF(以下，称作同步频率)设定在谐振电路的频率fRES的附近。通过施加高频电压VRF，在一对放电电极202、204之间流过放电电流。激光介质气体被放电电流激励而形成粒子数反转。受激发射光在由全反射镜206和部分反射镜208所形成的光谐振腔内往返移动并且通过激光介质气体，从而被增幅。被增幅的光的一部分从部分反射镜208输出。
电源装置250R具备：直流电源300，生成稳定的直流电压VDC；及高频电源400，将直流电压VDC转换为高频电压VRF。
专利文献1：日本特开平9-129953号公报
专利文献2：日本特开2015-32746号公报
专利文献3：日本特开2017-69561号公报
本发明人等对图1的激光装置100R进行研究的结果，发现了以下课题。
若放电电极202或204产生接触不良等，则会成为在开放状态下运行的情况。在开放状态下，静电电容C变得非常小，因此谐振电路的谐振频率成为非常高的值fRES’。若在该状态下继续施加同步频率f0(f0<fRES’)的高频电压VRF，则在谐振频率fRES’中产生超过高频电压VRF的振幅的非常高的高电压。若该高电压施加到高频电源400内部的半导体元件(即，功率晶体管)，则会降低其可靠性。
发明内容
本发明是鉴于上述状况而完成的，其一种实施方式的例示性目的之一在于提供一种提高了可靠性的激光装置。
本发明的一种实施方式涉及激光装置或其电源装置。激光装置具备：激光谐振腔，包括一对放电电极；及电源装置，驱动一对放电电极。电源装置具备：高频电源，向包含一对放电电极的电容的谐振电路施加高频电压；过电压抑制电路，抑制谐振电路的两端之间的过电压；及保护电路，若检测出异常，则停止高频电压的施加。保护电路检测出异常所需的时间短于过电压抑制电路能够耐过电压的时间。
根据该实施方式，通过设置过电压抑制电路，在谐振电路的谐振频率大大偏离了设计值时，能够抑制过电压，从而能够保护高频电源等中包含的半导体元件。而且，在过电压抑制电路抑制高电压的期间，通过保护电路判定有无异常，并在产生了异常时停止装置，从而能够保护高频电源的半导体元件，并且能够防止过电压抑制电路的可靠性下降。
过电压抑制电路的电容可以小于一对放电电极的电容的1/5。由此，能够减小过电压抑制电路给谐振电路的谐振频率带来的影响。
过电压抑制电路可以包括电压抑制器、电涌保护器、气体避雷器(电涌避雷器)中的至少一个。
过电压抑制电路可以包括彼此串联连接的多个元件。在各个元件的静电电容较大的情况下，可以串联连接它们，从而能够减小过电压抑制电路的静电电容。
过电压抑制电路可以包括电容为一对放电电极的电容的1/10以下的电容器。此时，电容器成为负载，因此能够防止谐振频率变得过高，从而能够抑制过电压。
过电压抑制电路可以包括LCR负载。此时，即使放电电极产生异常而成为开放状态，也能够通过LCR负载防止谐振频率变得过高，从而能够抑制过电压。
保护电路可以根据激光装置有无输出光而判定异常。在激光装置不发光时，可以判定为无负载状态。在使用CO2激光器时，使用红外线检测元件即可。
保护电路可以根据谐振频率的电流成分而判定异常。监视流过负载(谐振电路)或高频电源的输出端的电流，并从检测值提取谐振频率的成分，在谐振频率的电流较小时，可以判定为无负载状态。
保护电路可以根据除了谐振频率以外的电流成分而判定异常。监视流过负载(谐振电路)或高频电源的输出端的电流，并从检测值提取除了谐振频率以外的成分，在除了谐振频率以外的电流较大时，可以判定为无负载状态。
保护电路可以根据照射后的高频电源的输入电压的下降幅度而判定异常。若激光正常发光，则存储在直流电源的输出电容器(电容器组)的电荷被放电，直流电压会下降。因此，通过监视电容器组的电压，在电压下降较小时，可以判定为无负载状态。
保护电路可以根据流过过电压抑制电路的电流而判定异常。若电流流过构成过电压抑制电路的电涌保护元件，则可以判定为无负载状态。
保护电路可以根据频率高于谐振频率的噪声而判定异常。在电流成为了高频时，高频的放射噪声或传导噪声会增加。因此，利用天线检测出该噪声，并在噪声增加的情况下，可以判定为无负载状态。
保护电路可以根据一对放电电极之间的电压而判定异常。在虽然施加有高频电压却在谐振电路的两端之间检测不到充分的电压时，可以判定为无负载状态。
另外，在方法、装置、系统等之间相互置换以上构成要件的任意组合或本发明的构成要件或表示的内容的方式也作为本发明的方式而有效。
根据本发明的一种实施方式，能够提高激光装置的可靠性。
附图说明
图1是激光装置的框图。
图2是实施方式所涉及的激光装置的框图。
图3中(a)～(d)是表示过电压抑制电路的结构例的电路图。
图4是表示电源装置的具体结构例的电路图。
图5是表示包括保护电路的高频电源的结构例的图。
图6是表示具备激光装置的激光加工装置的图。
图中：100-激光装置，200-激光谐振腔，202、204-放电电极，206-全反射镜，208-部分反射镜，210-谐振电路，250-电源装置，300-直流电源，302-电容器组，304-充电电路，400-高频电源，402-H桥电路，404-升压变压器，500-过电压抑制电路，502-气体避雷器(Gasarrester)，504-压敏电阻(Varistor)，550-保护电路，560-高频电流检测电路，570-前置放大器电路，580-驱动信号产生电路，590-PLC。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的优选实施方式进行说明。在各附图中，对相同或等同的构成要件、部件及处理标注相同的符号，并适当省略重复说明。并且，实施方式仅为示例，其并不用于限定本发明，实施方式中记载的所有特征或其组合未必一定是本发明的本质内容。
图2是实施方式所涉及的激光装置100的框图。激光装置100具备激光谐振腔200及电源装置250。激光谐振腔200及电源装置250的功能与图1相同。
激光谐振腔200具备一对放电电极202、204，它们之间的静电电容C与电感器L一同形成谐振电路210。该谐振电路210的谐振频率设为fRES。
电源装置250除了具备图1的电源装置250的结构之外还具备过电压抑制电路500及保护电路550。
直流电源300产生稳定在规定电压电平的直流电压VDC并将其供给到高频电源400。高频电源400产生具有与谐振频率fRES相同的频率(同步频率)fRF的高频电压VRF并将其供给到激光谐振腔200。高频电源400的结构并不受限定，其可以包括将直流电压VDC转换成交流电压VAC的逆变器及将逆变器的输出电压VAC升压的变压器。
过电压抑制电路500构成为能够抑制谐振电路210的两端之间的过电压。
保护电路550监视激光装置100的动作，并且在检测到异常时，停止基于高频电源400的高频电压VRF的施加。作为保护电路550的检测对象的异常为在谐振电路210的两端之间产生过电压的异常，换言之，基于过电压抑制电路500的抑制动作实际产生的异常。作为这种异常，例示有谐振电路210的谐振频率变得高于其设计值(即，同步频率)fRES的异常，其例如因放电电极202、204的接触不良、电感器L的脱落、连接它们的配线的脱落等而产生，以下将这种异常总称为开放异常。另外，谐振电路210的两端间电压ΔV的频谱除了包括同步频率fRF之外还包括其他频率成分，并且，由于在高频电源400的输出端与激光谐振腔200的输入端之间存在未图示的寄生阻抗，因此，应注意高频电压VRF与两端间电压ΔV的波形未必一致。
保护电路550检测出开放异常所需的时间设为短于过电压抑制电路500能够耐过电压的时间。
以上为激光装置100的结构。根据该激光装置100，能够得到以下效果。
根据本实施方式，通过设置过电压抑制电路500，在谐振电路210的谐振频率大大偏离了设计值fRES时，能够抑制在其两端之间产生过电压，从而能够保护高频电源400等中包含的半导体元件。
在此，在两端间电压ΔV的过电压状态被过电压抑制电路500抑制的期间，电流持续流过过电压抑制电路500。若该状态持续较长时间，则会导致过电压抑制电路500的发热变大，过电压抑制功能可能会下降，或者可能会完全丧失过电压抑制功能。如此一来，过电压会再次施加于高频电源400，可能会导致半导体元件的可靠性下降。因此，除了过电压抑制电路500之外还设置保护电路550，从而在过电压抑制电路500抑制高电压的期间，通过保护电路550判定有无异常，并在产生了异常时，停止高频电源400或直流电源300，从而能够消除产生过电压的原因而保护高频电源400的半导体元件，并且能够防止过电压抑制电路500的可靠性下降。
本发明可以理解为图2的框图或电路图，或者本发明还可涉及到根据上述说明导出的各种装置及方法，其并不限于特定结构。以下，为了便于理解及明确本发明的本质或动作，对更具体的结构例或实施例进行说明，这并不用于缩小本发明的范围。
图3中(a)～(d)是表示过电压抑制电路500的结构例的电路图。图3中(a)的过电压抑制电路500包括气体避雷器502。若气体避雷器502的端子间电压超过动作开始电压，则气体避雷器502成为短路状态，过电压抑制电路500的两端间电压ΔV得到抑制。
在此，过电压抑制电路500的两端之间的静电电容优选小于一对放电电极的静电电容的1/5。这是因为，若过电压抑制电路500的静电电容过大，则会使谐振电路210的谐振频率fRES频移，因而对电路动作带来影响。在该观点中，若像图3中(a)那样由气体避雷器502单体构成过电压抑制电路500，则有时会出现静电电容过大的情况。
在这种情况下，可以像图3中(b)那样串联连接多个过电压抑制元件(电涌保护元件)。由此，过电压抑制电路500的两端之间的静电电容成为多个过电压抑制元件各自的静电电容的合成电容，因此能够设为小于各个过电压抑制元件的静电电容。
更详细而言，图3中(b)的过电压抑制电路500包括彼此串联连接的气体避雷器502及压敏电阻504。在该结构中，若高电压ΔV施加于过电压抑制电路500的两端之间，则气体避雷器502的端子间电压超过动作开始电压而成为短路状态，高电压ΔV施加于压敏电阻504。其结果，电流根据压敏电阻504的I-V特性而流动，从而能够抑制高电压ΔV。也可以代替压敏电阻504而使用通常的过电压抑制元件，例如可以使用SPD(氧化锌型避雷器)或瞬态电压抑制器(transorb)。
图3中(a)及(b)的过电压抑制电路500响应于过电压而进行动作，但并不只限定于此，过电压抑制电路500也可以是预防在激光谐振腔200的开放异常状态中产生过电压的电路。更具体而言，在同步频率fRF下，过电压抑制电路500可以具有比谐振电路210充分高的高阻抗，而在高于同步频率fRF的频率下，可以具有较低的阻抗。图3中(c)的过电压抑制电路500包括电容器506。电容器506的静电电容为一对放电电极202、204的静电电容的1/5以下，优选为1/10以下。即使发生开放异常，该电容器506作为负载残留，因此能够防止谐振频率变得过高，从而能够抑制过电压。
图3中(d)的过电压抑制电路500包括LCR负载电路。即使成为开放状态，也能够通过LCR负载防止谐振频率变得过高，从而能够抑制过电压。
另外，过电压抑制电路500也可以采用并联连接例示于图3中(a)～(d)的若干电路的结构。
图4是表示电源装置250的具体结构例的电路图。在激光装置100输入有指示发光期间(激励期间)与停止期间的控制信号(激励信号)S1，激光装置100根据激励信号S1进行间歇动作。例如，激励信号S1为数kHz左右的重覆频率、占空比为5％左右的脉冲信号。
高频电源400具备H桥电路(全桥电路)402及升压变压器404。高频电源400具备两组由H桥电路402及升压变压器404构成的组401，它们彼此并联连接。当然，也可以仅由一个组401构成。在激励信号S1指示激励区间的电平(例如，高电平)期间，H桥电路402进行开关动作，向升压变压器404的1次绕组施加交流电压VAC。H桥电路402的开关频率为同步频率fRF，例如设定为2MHz左右。其结果，在升压变压器404的2次绕组中产生对交流电压VAC进行升压后的高频电压VRF。
直流电源300包括电容器组302及充电电路304。电容器组302设置在直流母线306之间。充电电路304对电容器组302进行充电，将电容器组302的电压VDC保持为恒定。
在激励区间，H桥电路402进行开关动作，因此存储在电容器组302的能量(电荷)被释放，直流电压VDC的电压电平下降。充电电路304以补充直流电压VDC的电压电平的下降的方式向电容器组302供给充电电流。即，直流电源300也与激励信号S1同步而进行间歇动作。
另外，也可以由在包含激励期间在内的期间均正常动作的DC/DC转换器构成直流电源300。
在图4中，保护电路550构成为高频电源400的一部分。在高频电源400的输出端设置有电流传感器CT，其监视流过激光谐振腔200的电流。具体而言，在两个组的升压变压器404各自的输出端分别设置有电流传感器CT1、CT2，保护电路550根据电流传感器CT1、CT2的输出而检测出异常，并在异常状态下停止H桥电路402。
图5是表示包括保护电路550的高频电源400的结构例的图。保护电路550具备高频电流检测电路(高频电流检测基板)560、前置放大器电路(前置放大器基板)570、驱动信号产生电路(驱动信号产生基板)580A、580B。
高频电流检测电路560接收两个电流传感器CT1、CT2的输出，并去除同步频率fRF(2MHz)的频率成分。高频电流检测电路560例如包括带阻滤波器562、564。
前置放大器电路570对电流传感器CT1、CT2所检测出的电流值进行处理。电平判定部572(574)对带阻滤波器562(564)的输出与阈值进行比较。电平判定器576(578)对电流传感器CT1(CT2)的输出与规定阈值进行比较。电流差判定器579检测出两个电流传感器CT1、CT2的输出的差分，并将其与阈值进行比较。
驱动信号产生电路580A为生成用于控制H桥电路402的驱动信号的功能块。在带阻滤波器562(564)的输出更大时(即，较多地包含高于同步频率fRF的频率成分时)，驱动信号产生电路580A判定为开放异常(电路开放)，从而产生联锁(interlock)。
在电流传感器CT1(CT2)的输出更大时，驱动信号产生电路580A判定为过电流状态，从而产生联锁。
在差分大于阈值时，驱动信号产生电路580A判定为电流不平衡状态，从而产生联锁。
不管是何种因素只要产生联锁，则停止高频电源400(H桥电路402的开关动作)。并且，将停止指令供给到PLC(Programmable Logic Controller/可编程逻辑控制器)590。PLC是具备序列发生器或状态机的功能且集中控制电源装置250整体的控制器。接收到停止指示的PLC590向驱动信号产生电路580B指示停止。驱动信号产生电路580B为用于控制直流电源300的功能块，其响应于停止指示而使直流电压VDC的生成动作停止。
以上为保护电路550的结构例。接着，对基于保护电路的异常检测的变形例进行说明。
(变形例1)
保护电路550根据激光装置100有无输出(激光)而判定异常。即，即使高频电源400处于动作状态，若未检测到激光，则可以判定为开放异常。在该变形例中，可以由光传感器构成保护电路550。
(变形例2)
在像图4那样直流电源300包括电容器组302及充电电路304的情况下，若激光谐振腔200正常发光，则电容器组302的电压VDC会下降一定幅度，但是，若激光谐振腔200并未正常发光，则电容器组302的电压VDC下降幅度会变小。因此，保护电路550可以根据照射前后的高频电源400的输入电压(直流电源300的输出电压VDC)的下降幅度来判定异常。
(变形例3)
在流过过电压抑制电路500的电流超过阈值时，保护电路550可以判定为异常。
(变形例4)
在流过谐振电路的电流成为高频时，高频的放射噪声或传导噪声会有所增加。保护电路550利用天线检测出该高频噪声，并在高频噪声有所增加时，可以判定为无负载状态(开放异常)。
(变形例5)
保护电路550可以监视一对放电电极202、204之间的电位差ΔV并根据电位差ΔV判定异常。
另外，保护电路550也可以并用在此说明的若干异常检测方法。
在实施方式中，对过电压抑制电路500设置在电源装置250的情况进行了说明，但是，并不只限定于此，过电压抑制电路500也可以设置在激光谐振腔200侧。
(用途)
接着，对激光装置100的用途进行说明。图6是表示具备激光装置100的激光加工装置900的图。激光加工装置900向对象物902照射激光脉冲904，从而对对象物902进行加工。对象物902的种类并不受特别限定，并且加工的种类虽可例示钻孔(drill)、切割等，但也并不只限定于此。
激光加工装置900具备激光装置100、光学系统910、控制装置920及工作台930。对象物902载置在工作台930上，并根据需要固定在工作台930上。工作台930根据来自控制装置920的位置控制信号S2对对象物902进行定位，并使对象物902相对于激光脉冲904的照射位置进行扫描。工作台930可以为1轴、2轴(XY)或3轴(XYZ)工作台。
激光装置100根据来自控制装置920的触发信号(激励信号)S1进行振荡从而产生激光脉冲906。光学系统910向对象物902照射激光脉冲906。光学系统910的结构并不受特别限定，其可以包括用于将光束导导至对象物902的反射镜组、用于对光束进行整形的透镜或光圈等。
控制装置920集中控制激光加工装置900。具体而言，控制装置920向激光装置100间歇地输出激励信号S1。并且，控制装置920生成用于按照描述加工处理的数据(配方)控制工作台930的位置控制信号S2。
以上，使用具体语句对本发明的实施方式进行了说明，但是，实施方式仅示出了本发明的原理、应用的一方面，在不脱离技术方案中规定的本发明的思想的范围内，实施方式允许多个变形例或配置的变更。
Claims (9)
1.一种电源装置，其驱动包括一对放电电极的激光谐振腔，该电源装置的特征在于，具备：
高频电源，包括全桥电路和变压器，所述变压器的1次绕组与所述全桥电路连接，所述高频电源向包含所述一对放电电极的电容的谐振电路施加在所述变压器的2次绕组产生的高频电压；
过电压抑制电路，设置于所述高频电源的外部，连接于所述谐振电路的两端之间，抑制所述谐振电路的两端之间的过电压；及
保护电路，若检测出异常，则停止所述高频电压的施加，
所述保护电路检测出所述异常所需的时间短于所述过电压抑制电路能够耐所述过电压的时间。
2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，
所述过电压抑制电路的电容小于所述一对放电电极的电容的1/5。
3.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于，
所述过电压抑制电路包括电压抑制器、电涌保护器、气体避雷器、电容器及LCR负载中的至少一个，所述电容器的电容为所述一对放电电极的电容的1/10以下。
4.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于，
所述过电压抑制电路包括彼此串联连接的多个元件。
5.根据权利要求3所述的电源装置，其特征在于，
所述过电压抑制电路包括彼此串联连接的多个元件。
6.根据权利要求1、2或5所述的电源装置，其特征在于，
所述保护电路根据如下中的至少一个来判定异常，即
（i）所述激光谐振腔有无输出光；
（ii）流过所述高频电源的电流中的所述谐振电路的谐振频率的成分；
（iii）流过所述高频电源的电流中的除了所述谐振电路的谐振频率以外的成分；
（iv）照射后的所述高频电源的输入电压的下降幅度；
（v）流过所述过电压抑制电路的电流；
（vi）频率高于所述谐振电路的谐振频率的噪声；及
（vii）所述一对放电电极之间的电压。
7.根据权利要求3所述的电源装置，其特征在于，
所述保护电路根据如下中的至少一个来判定异常，即
（i）所述激光谐振腔有无输出光；
（ii）流过所述高频电源的电流中的所述谐振电路的谐振频率的成分；
（iii）流过所述高频电源的电流中的除了所述谐振电路的谐振频率以外的成分；
（iv）照射后的所述高频电源的输入电压的下降幅度；
（v）流过所述过电压抑制电路的电流；
（vi）频率高于所述谐振电路的谐振频率的噪声；及
（vii）所述一对放电电极之间的电压。
8.根据权利要求4所述的电源装置，其特征在于，
所述保护电路根据如下中的至少一个来判定异常，即
（i）所述激光谐振腔有无输出光；
（ii）流过所述高频电源的电流中的所述谐振电路的谐振频率的成分；
（iii）流过所述高频电源的电流中的除了所述谐振电路的谐振频率以外的成分；
（iv）照射后的所述高频电源的输入电压的下降幅度；
（v）流过所述过电压抑制电路的电流；
（vi）频率高于所述谐振电路的谐振频率的噪声；及
（vii）所述一对放电电极之间的电压。
9.一种激光装置，其特征在于，具备：
一对放电电极；
高频电源，包括全桥电路和变压器，所述变压器的1次绕组与所述全桥电路连接，所述高频电源向包含所述一对放电电极的电容的谐振电路施加在所述变压器的2次绕组产生的高频电压；
过电压抑制电路，设置于所述高频电源的外部，连接于所述谐振电路的两端之间，抑制所述谐振电路的两端之间的过电压；及
保护电路，若检测出异常，则停止所述高频电压的施加，
所述保护电路检测出所述异常所需的时间短于所述过电压抑制电路能够耐所述过电压的时间。
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