JP2000349375A - Laser power unit and laser - Google Patents

Laser power unit and laser

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JP2000349375A
JP2000349375A JP11156694A JP15669499A JP2000349375A JP 2000349375 A JP2000349375 A JP 2000349375A JP 11156694 A JP11156694 A JP 11156694A JP 15669499 A JP15669499 A JP 15669499A JP 2000349375 A JP2000349375 A JP 2000349375A
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switching
laser
power supply
control
current
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Tomohiro Takase
智裕 高瀬
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Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance reliability by optimizing the control cycle of the switching of the switching element of a laser power unit. SOLUTION: The waveform of the current to be supplied to a laser stimulation lamp 7 or a semiconductor laser for stimulating a laser medium is set to correspond to each switching control of a switching element 2. Then, each switching control is decided by comparing the magnitude of the current preset in a microcomputer control unit 8 and that of the monitored instant current flowing to a laser stimulation lamp 7 by a current detector 6 by means of the microcomputer control unit 8, and the current waveform is set according to the result.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電気モニタによる
瞬時値制御のチョッパ回路で構成され、出力波形を自在
に制御できるレーザ電源装置及びそれを用いたレーザ装
置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser power supply device comprising a chopper circuit for instantaneous value control by an electric monitor and capable of freely controlling an output waveform, and a laser device using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、固体レーザ用電源は、パルスレー
ザを中心として出力波形を自在に制御できるタイプが主
流となつている。ランプ励起パルスレーザの場合、出力
電流は最大500A程度が必要で、しかも0.5ms程
度の応答が必要とされる。LCフィルタを用いた従来の
DC−DCコンバータで、この応答を実現しようとすれ
ば、100kHz以上の高周波スイッチングが必要とな
るが、現状ではこの要求を満たす大電力スイッチング素
子は一般には見当たらない。
2. Description of the Related Art In recent years, as a power supply for a solid-state laser, a type capable of freely controlling an output waveform centering on a pulse laser has become mainstream. In the case of a lamp-pumped pulse laser, the output current needs to be about 500 A at the maximum and a response of about 0.5 ms is required. In order to realize this response with a conventional DC-DC converter using an LC filter, high-frequency switching of 100 kHz or more is required, but at present, high-power switching elements that satisfy this requirement are not generally found.

【0003】そのため、特公平7−59146号公報や
特開平10−242550号公報に開示されている技術
では、電流モニタ瞬時値制御のチョッパ回路が用いられ
ている。これらの技術は、回路の最終段のフィルタにキ
ャパシタが存在しないという点ではDC−DCコンバー
タと異なる。
For this reason, in the techniques disclosed in Japanese Patent Publication No. Hei 7-59146 and Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 10-242550, a chopper circuit for instantaneous current monitor value control is used. These techniques differ from DC-DC converters in that no capacitors are present in the final filter of the circuit.

【0004】すなわち、特公平7−59146号公報に
開示されている技術では、電流モニタ瞬時値制御のチョ
ッパ回路を用いて次のような制御を行っている。(1)
出力電流モニタと出力指令とを大小比較し、出力モニタ
≦出力指令の場合に1、出力モニタ>出力指令の場合に
0になる制御パルス信号を得る。(2)この制御パルス
信号をあるクロックパルスのエッジに同期化させた同期
化パルス信号を得る。(3)同期化パルス1をスイッチ
ONに、同期化信号0がスイッチOFFに対応するとき
に、スイッチングを制御する。このような三段階のステ
ップを経た制御によって、出力指令値を基準としてある
振幅(リップルと定義する)を持つ出力電流が得てい
る。
That is, in the technique disclosed in Japanese Patent Publication No. Hei 7-59146, the following control is performed using a chopper circuit for instantaneous current value control. (1)
The magnitude of the output current monitor is compared with that of the output command to obtain a control pulse signal which becomes 1 when output monitor ≦ output command and becomes 0 when output monitor> output command. (2) Obtain a synchronized pulse signal in which the control pulse signal is synchronized with the edge of a certain clock pulse. (3) Switching is controlled when the synchronization pulse 1 corresponds to the switch ON and the synchronization signal 0 corresponds to the switch OFF. By such control through these three steps, an output current having a certain amplitude (defined as ripple) is obtained based on the output command value.

【0005】また、特開平10−242550号公報に
記載の技術は、特公平7−59146号公報に記載の技
術における電流指令値の方法を変えたものである。つま
り、電流闘値設定器で電流の上限及び下限を設け、スイ
ッチング信号の生成手法を一部変更している。この方式
では、上限及び下限を設定することで、出力電流のリッ
プル幅を制御すると同時に、スイッチON/OFF切り
替え回数をコントロールする働きも持ち合わせるように
している。
The technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-242550 is a modification of the method of the current command value in the technique described in Japanese Patent Publication No. 7-59146. In other words, the upper limit and the lower limit of the current are set by the current threshold value setting device, and the generation method of the switching signal is partially changed. In this method, the upper limit and the lower limit are set to control the ripple width of the output current and also to control the number of times the switch is turned on / off.

【0006】例えば、スイッチング素子が過度に温度上
昇した際には、電流の上限・下限幅(リップル幅)が大
きくなるように設定値を修正する。この結果、スイッチ
ON/OFF切り替え回数は減少し(但し、出力リップ
ルは増大)、素子の温度上昇にブレーキがかかる。ま
た、スイッチング素子前後での電力を計測し、この差分
に応じて、上限・下限設定幅を修正する方法も提案され
ている。このようにスイッチング素子の過負荷を検出
し、スイッチON/OFF切り替え回数を少なくするこ
とで素子の発熱を低減する機能を持たせている。
For example, when the temperature of the switching element rises excessively, the set value is corrected so that the upper and lower limits (ripple width) of the current increase. As a result, the number of times of switch ON / OFF switching is reduced (however, output ripple is increased), and a brake is applied to the temperature rise of the element. In addition, a method has been proposed in which the power before and after the switching element is measured, and the upper and lower limit setting widths are corrected according to the difference. As described above, a function of detecting overload of the switching element and reducing heat generation of the element by reducing the number of times of switching ON / OFF is provided.

【0007】なお、この機能は、特公平7−59146
号公報記載の技術で課題となっていたスイッチング部の
動作信頼性についてはある程度改善されている。
This function is described in Japanese Patent Publication No. Hei 7-59146.
The operation reliability of the switching unit, which has been a problem in the technology described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-205, has been improved to some extent.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特公平
7−59146号公報に記載の技術の方式では、従来の
DC−DCコンバータに用いられていたPWM制御とは
異なり、スイッチング周期を確定できない。スイッチン
グ制御は、出力電流モニタと出力指令値との大小比較の
結果をクロックパルスに同期化させて行っており、その
周期は常に変化する。
However, in the system of the technique described in Japanese Patent Publication No. Hei 7-59146, the switching cycle cannot be determined unlike the PWM control used in the conventional DC-DC converter. The switching control is performed by synchronizing the result of the magnitude comparison between the output current monitor and the output command value with the clock pulse, and its cycle always changes.

【0009】この場合、実質的なスイッチON/OFF
切り替え回数は、 (ON/OFF切り替え回数)≦(クロックパルスの周
波数) という条件で決まるものの、その正確な回数は、負荷の
インピーダンス特性、フイルタ部のL値、入力直流電圧
源の値などにも大きく左右されて確定しない。
In this case, a substantial switch ON / OFF is performed.
The number of times of switching is determined by the condition of (number of times of ON / OFF switching) ≤ (frequency of clock pulse), but the exact number of times depends on the impedance characteristics of the load, the L value of the filter unit, the value of the input DC voltage source, etc. It is not determined because it depends greatly.

【0010】その結果、スイッチング部の損失を見積る
ことは極めて困難で、スイッチング回路の信頼性確保が
大きな課題となっている。
[0010] As a result, it is extremely difficult to estimate the loss of the switching section, and it is a major issue to secure the reliability of the switching circuit.

【0011】従って、この場合の製品設計には、損失、
スイッチング周波数に関して優れた能力を持つ高価なス
イッチング素子を選択し、その冷却にも十分な余裕を見
込むことが必要とされている。その結果、レーザ電源の
コスト上昇が避けられない。
Therefore, the product design in this case includes loss,
It is necessary to select an expensive switching element having an excellent capability with respect to a switching frequency, and to allow for a sufficient margin for cooling. As a result, an increase in the cost of the laser power supply cannot be avoided.

【0012】また、特開平10−242550号公報に
記載の技術は、スイッチングが自励制御である点は、特
公平7−59146号公報記載の技術と同様で変わらな
い。そのため、レーザ運転中にスイッチング素子への負
荷を監視し、出力電流の上限・下限設定を常に修正しな
がら、スイッチON/OFF切り替え回数を調整する
め、ハードウエアの信頼性を確保する一方で、出力波形
のリップル幅が無秩序に変化してしまうという新たな問
題を引き起こす可能性がある。
The technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-242550 is the same as the technique described in Japanese Patent Publication No. 7-59146 in that switching is self-excited control. For this reason, the load on the switching element is monitored during the laser operation, the upper and lower limits of the output current are constantly corrected, and the number of times of switch ON / OFF switching is adjusted. This may cause a new problem that the ripple width of the waveform changes randomly.

【0013】また、負荷のインピーダンス特性、フィル
タ部のL値、入力直流電圧源の値等によっても、スイッ
チON/OFF切り替え回数が変化し、その都度、電流
の上限・下限について設定の調整が必要となる。このた
め、特開平10−242550号公報記載の技術の場合
でも、能力の優れた高価なスイッチング素子を選択し、
その冷却にも十分な余裕を見込むことが避けられない状
況である。
Further, the number of times the switch is turned on / off varies depending on the impedance characteristic of the load, the L value of the filter unit, the value of the input DC voltage source, etc., and it is necessary to adjust the upper and lower limits of the current each time. Becomes For this reason, even in the case of the technology described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-242550, an expensive switching element having excellent capability is selected,
It is inevitable that a sufficient margin is expected for the cooling.

【0014】これらいずれの高速応答で、出力波形を自
在に制御できる電流モニタ瞬時値制御のチヨッパ回路を
用いたレーザ電源では(例えば、特公平7−59146
号公報および特開平10−242550号公報記載の技
術)、そのスイッチON/OFF切り替え回数に不確定
性が伴なうため、スイッチング損失の見積は極めて困難
であるため、低い動作信頼性、及びコストの高騰という
問題を引き起こしていた。
A laser power supply using a chopper circuit for instantaneous value control of a current monitor capable of freely controlling an output waveform with any of these high-speed responses (for example, Japanese Patent Publication No. Hei 7-59146).
And Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-242550), since the number of times of switching ON / OFF is accompanied by uncertainty, it is extremely difficult to estimate the switching loss. Was causing the problem of rising prices.

【0015】本発明はこれらの事情にもとづいて成され
たもので、スイッチング素子でのスイッチング制御のチ
ェックで、スイッチング損失が安全動作範囲か否かを判
断すし、その判断結果によって、スイッチング素子のス
イッチによる制御の周期を適正化し、スイッチング制御
の信頼性を高め、かつ、スイッチング回路の適正設計に
よりコストの低減がなされたレーザ電源装置と、それを
用いたレーザ装置を提供することを目的としている。
The present invention has been made based on these circumstances, and it is determined whether or not the switching loss is within a safe operating range by checking the switching control of the switching element, and based on the determination result, the switching of the switching element is performed. It is an object of the present invention to provide a laser power supply device in which the control cycle is optimized, the reliability of the switching control is improved, and the cost is reduced by appropriately designing the switching circuit, and a laser device using the same.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明による手
段によれば、レーザ励起源に供給する電気波形をスイッ
チング素子の毎回のスイッチング制御ごとに対応させて
設定し、この毎回のスイッチング制御は予め設定されて
いる設定電気値と前記レーザ励起源に流れる電気モニタ
瞬時値と比較して判断しその結果にもとづいて制御する
レーザ電源装置において、前記予め設定されている設定
電気値は、複数の値とされていることを特徴とするレー
ザ電源装置である。
According to the first aspect of the present invention, an electric waveform to be supplied to a laser excitation source is set in correspondence with each switching control of a switching element, and this switching control is performed every time. In a laser power supply device that determines and compares a preset set electrical value with an instantaneous value of an electrical monitor flowing to the laser excitation source and performs control based on the result, the preset set electrical value includes a plurality of set electrical values. A laser power supply device characterized in that the value is a value.

【0017】また請求項2の発明による手段によれば、
前記スイッチング素子のスイッチング制御は、ON/O
FF切り替え回数をカウントしてこのカウントされた数
に応じて前記スイッチング制御の周期を変化させて行う
ことを特徴とするレーザ電源装置である。
According to the second aspect of the present invention,
The switching control of the switching element is ON / O
A laser power supply device which counts the number of times of FF switching and changes the cycle of the switching control according to the counted number.

【0018】また請求項3の発明による手段によれば、
前記スイッチング素子のスイッチング制御は、ON/O
FF切り替えの際の電気モニタ瞬時値を加算しこの加算
される値に応じてスイッチの制御周期を変化させて行う
ことを特徴とするレーザ電源装置である。
According to the third aspect of the present invention,
The switching control of the switching element is ON / O
A laser power supply device characterized by adding an electrical monitor instantaneous value at the time of FF switching, and changing a control cycle of the switch according to the added value.

【0019】また請求項4の発明による手段によれば、
前記スイッチング素子のスイッチング制御による、ON
の際には直流電源よりインダクタンスを介して前記レー
ザ励起源に電気を供給し、OFFの際には前記インダク
タンスの逆起電力でその電気をダイオードを介して帰還
させ、その結果にもとづいて前記レーザ励起源に供給す
る電気波形を設定することを特徴とするレーザ電源装置
である。
According to the means of the invention of claim 4,
ON by switching control of the switching element
In the case of the above, electricity is supplied from the DC power supply to the laser excitation source via the inductance, and in the case of OFF, the electricity is fed back via the diode by the back electromotive force of the inductance, and based on the result, the laser A laser power supply device for setting an electric waveform to be supplied to an excitation source.

【0020】また請求項5の発明による手段によれば、
前記設定電気値と前記レーザ励起源に流れる電気モニタ
瞬時値との比較は、複数設定されている前記設定電気値
の前記スイッチング制御の周期の短い方から順次長い方
へと繰り上げて比較することを特徴とするレーザ電源装
置である。
According to the fifth aspect of the present invention,
The comparison between the set electrical value and the instantaneous value of the electrical monitor flowing to the laser excitation source is performed by sequentially moving up from the shorter one of the switching control cycles of the set electrical value to the longer one. It is a laser power supply device characterized by the following.

【0021】また請求項6の発明による手段によれば、
上記のレーザ電源装置を用いて動作することを特徴とす
るレーザ装置である。
According to the means of the invention of claim 6,
A laser device which operates using the above laser power supply device.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。なお、以下では例として電
流値をモニタして制御を行っているが、電圧値や電力値
をモニタしてもよい。要は、電気値(上記3つの値の総
称)がモニタできればよい。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following, control is performed by monitoring a current value as an example, but a voltage value or a power value may be monitored. In short, it suffices if the electric value (a generic term for the above three values) can be monitored.

【0023】図1は、本発明の実施の形態の一例を示す
レーザ電源装置の構成図である。すなわち、1は商用電
源を図示しない整流素子及びコンデンサ等を用いて整流
・平滑化している直流電源、2は直流電源1からの電流
をON・OFF切り替えするスイッチングトランジス
タ、FET、IGBT等から成る高速の動作が可能のス
イッチング素子、3はスイッチング素子を駆動するドラ
イバ、4はインダクタ、5は電流帰還ダイオード、6は
電流検出器、7は直流電源の負荷となるレーザ励起ラン
プ、8はレーザ電源の制御を行うマイコン制御ユニッ
ト、9は時間分解能が0.1msを有するユーザが加工
対象に応じて任意に設定するユーザ波形設定器である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a laser power supply device showing an example of an embodiment of the present invention. That is, 1 is a DC power supply that rectifies and smoothes a commercial power supply by using a rectifying element and a capacitor (not shown), and 2 is a high-speed switching transistor that switches ON / OFF the current from the DC power supply 1, an FET, and an IGBT. 3 is a driver for driving the switching element, 3 is a driver for driving the switching element, 4 is an inductor, 5 is a current feedback diode, 6 is a current detector, 7 is a laser excitation lamp serving as a load of a DC power supply, and 8 is a laser power supply. A microcomputer control unit 9 for performing control is a user waveform setting device that is arbitrarily set by a user having a time resolution of 0.1 ms according to a processing target.

【0024】図2(a)〜(b)は制御周期を変化させ
た、いずれも予めマイコン内に設定されている電流波形
データの模式グラフである。すなわち、マイコン制御ユ
ニット8内には電流が250Aで、時間が1.0msの
際に、スイッチの制御周期を予め10μs、20μs、
25μs、50μs、100μsに設定し、それぞれに
対応した5種類の電流波形データが記憶されている。
FIGS. 2A and 2B are schematic graphs of current waveform data in which the control cycle is changed, all of which are preset in the microcomputer. That is, when the current is 250 A and the time is 1.0 ms in the microcomputer control unit 8, the control cycle of the switch is previously set to 10 μs, 20 μs,
Five types of current waveform data corresponding to each of 25 μs, 50 μs, and 100 μs are stored.

【0025】また、図3はユーザがユーザ波形設定器で
設定した出力電流波形である。このユーザがユーザ波形
設定器9で設定した出力電流波形はユーザが加工対象に
応じて任意に設定するもので、マイコン制御ユニット8
によって毎回のスイッチング制御に対応させて、マイコ
ン制御ユニット8内に設定されている電流波形データの
中から最適の電流波形データに変換される。
FIG. 3 shows an output current waveform set by the user with the user waveform setting device. The output current waveform set by the user with the user waveform setting unit 9 is arbitrarily set by the user in accordance with the processing target, and the microcomputer control unit 8
Thus, the current waveform data set in the microcomputer control unit 8 is converted into the optimal current waveform data in accordance with the switching control every time.

【0026】次にマイコン制御ユニット8の制御につい
て説明する。図4(a)〜(b)はマイコン制御ユニッ
ト8の制御の説明図で、(a)はスイッチング制御に対
応させた電流設定データの説明図、(b)はスイッチン
グ制御タイミング信号の説明図、(c)はスイッチON
/OFF切り替え制御の説明図、(d)出力電流波形の
説明図である。
Next, control of the microcomputer control unit 8 will be described. 4A and 4B are explanatory diagrams of control of the microcomputer control unit 8, FIG. 4A is an explanatory diagram of current setting data corresponding to switching control, FIG. 4B is an explanatory diagram of a switching control timing signal, (C) is switch ON
FIG. 4 is an explanatory diagram of / OFF switching control, and FIG. 7D is an explanatory diagram of an output current waveform.

【0027】一例として、スイッチング制御の周期が1
00μsの場合を説明する。マイコン制御ユニット8は
出力開始の指令を受けると、最初の1回のスイッチング
制御を強制的にON動作させる。このON動作する間、
出力電流△lは、理論上 △l=[(Vin−Vout)/L]×dt (式1) Vin:入力直流電圧 Vout:出力電圧 L :インダクタ dt:スイッチング制御周期 だけ増加する。
As an example, the switching control cycle is 1
The case of 00 μs will be described. Upon receiving the output start command, the microcomputer control unit 8 forcibly turns ON the first switching control. During this ON operation,
Output current △ l is theoretically △ l = [(V in -V out) / L] × dt ( Equation 1) V in: input DC voltage V out: output voltage L: Inductor dt: increased by switching the control cycle .

【0028】実際の制御では、最初の1回目のスイッチ
ング制御が終了するタイミングに、図1で示した電流検
出器6を介して得られる電流モニタ瞬時値をA/D変換
し、マイコン制御ユニット8が電流モニタ値として取り
込む。この電流モニタ瞬時値は即座に、スイッチング制
御に対応させて設定した波形データの第1番目の電流設
定値と大小比較され、第2回目のスイッチング制御に反
映される。
In the actual control, at the timing when the first switching control is completed, the current monitor instantaneous value obtained via the current detector 6 shown in FIG. Captures as a current monitor value. This current monitor instantaneous value is immediately compared with the first current set value of the waveform data set corresponding to the switching control, and is reflected in the second switching control.

【0029】マイコン制御ユニット8の制御による大小
比較結果が、(電流モニタ瞬時値)<(電流設定値)の
ときは、スイッチング制御はONに、逆に(電流モニタ
瞬時値)≧(電流設定値)のときにはOFFになる。
When the result of the magnitude comparison by the control of the microcomputer control unit 8 is (current monitor instantaneous value) <(current set value), the switching control is turned on, and conversely, (current monitor instantaneous value) ≧ (current set value) )), It turns off.

【0030】続いて、第2回目のスイッチング制御が終
了するタイミングになると、第1回目と同様にマイコン
制御ユニット8が電流検出器6の電流モニタ瞬時値を取
り込み、第2番目の電流設定値と大小比較する。その結
果は第3回目のスイッチング制御に反映される。第4回
目以降のスイッチング制御も同様な過程で行われてい
く。
Subsequently, when the timing for ending the second switching control comes, the microcomputer control unit 8 fetches the current monitoring instantaneous value of the current detector 6 as in the case of the first switching control, and outputs the second current set value and the second current set value. Compare large and small. The result is reflected in the third switching control. The fourth and subsequent switching controls are performed in a similar process.

【0031】なお、スイツチがOFF動作する間は、出
力電流△lは理論上、次のように変化する。
While the switch is off, the output current Δl changes theoretically as follows.

【0032】 △l=−[Vout/L]×dt (式2) Vout:出力電圧 L:インダクタ dt:スイッチング制御周期周期 スイッチOFF時にはインダクタ4の逆起電力によりイ
ンダクタ4の電流を、電流帰還ダイオード5を介して帰
還させて、電流波形をマイコン制御ユニット8に記憶さ
れている電流波形に収束させる。
Δl = − [V out / L] × dt (Equation 2) V out : output voltage L: inductor dt: switching control cycle period When the switch is OFF, the current of the inductor 4 is generated by the back electromotive force of the inductor 4. The current waveform is fed back via the feedback diode 5 to converge the current waveform to the current waveform stored in the microcomputer control unit 8.

【0033】本実施の形態では、ユーザの設定した出力
条件を、図3および図4(a)に示すような、パルス幅
1ms、250A、繰り返し50Hzの矩形波としてい
るので、使用したスイッチング素子2は、250A動作
での安全動作範囲は、(スイッチング周波数)≦5KH
z、である。
In this embodiment, the output condition set by the user is a rectangular wave having a pulse width of 1 ms, 250 A and a repetition of 50 Hz as shown in FIGS. 3 and 4A. Is that the safe operating range at 250A operation is (switching frequency) ≤ 5KH
z.

【0034】次に、スイッチング素子2のスイッチの制
御周期を調整する過程について説明する。
Next, the process of adjusting the control cycle of the switch of the switching element 2 will be described.

【0035】前記したように、マイコン制御ユニット8
は、ユーザがユーザ波形設定器9に出力波形を設定する
と、これをスイッチング素子2のスイッチング制御(制
御周期は例えば、10μm、20μm、25μm、50
μm、100μmの5種類)に対応させた図4に示した
電流設定データとして記憶する。同時に、250A動作
において、1パルス当たりに許可されるスイッチング素
子2のスイッチON/OFF回数を計算する。上述の実
施の形態の場合は、250A動作におけるスイッチング
素子2のスイツチング周波数の上限は5kHzである。
その際に、繰り返し50Hzの矩形波パルスを出力する
ので、1パルス当たり、5kHz/50Hz=100回
のスイッチング回数がスイッチング素子2に割り当てら
れる。この結果、1パルス当たりに許可されるON/O
FF切り替え回数は200回となる。これを損失限界に
おけるON/OFFの回数と定義し、その値はマイコン
制御ユニット8に記憶される。
As described above, the microcomputer control unit 8
When the user sets an output waveform in the user waveform setting device 9, the output waveform is controlled by the switching control of the switching element 2 (the control cycle is, for example, 10 μm, 20 μm, 25 μm, 50 μm).
4 are stored as the current setting data shown in FIG. At the same time, the number of times of switching ON / OFF of the switching element 2 permitted per one pulse in the 250A operation is calculated. In the case of the above-described embodiment, the upper limit of the switching frequency of the switching element 2 at 250 A operation is 5 kHz.
At this time, since a rectangular wave pulse of 50 Hz is repeatedly output, the switching element 2 is assigned a switching frequency of 5 kHz / 50 Hz = 100 times per pulse. As a result, ON / O permitted per pulse
The number of FF switching is 200 times. This is defined as the number of ON / OFF operations at the loss limit, and the value is stored in the microcomputer control unit 8.

【0036】最適なスイッチング素子2のスイッチング
制御周期は、直流電源1を実際に1パルス出力だけ仮運
転して、マイコン制御ユニット8がカウントしたON/
OFF切り替え回数と、損失限界のON/OFF切り替
え回数を比較して決定する(これをスイッチング制御チ
ェックと呼ぶ)。
The optimum switching control period of the switching element 2 is determined by the ON / OFF count of the microcomputer control unit 8 when the DC power supply 1 is actually temporarily operated by one pulse output.
The number of times of switching OFF and the number of times of ON / OFF switching at the loss limit are compared and determined (this is called a switching control check).

【0037】出力電流波形の電流リップルを小さくする
には、制御周期が短ければ短いほど良好になるが、ON
/OFF切り替え回数が損失限界回数を上回ると、スイ
ッチング損失が安全領域を脅かす。そこで、このスイッ
チング制御チェックは、その双方が成立する最適スイッ
チング制御周期をチェックするもので、以下のような手
順で行う。
In order to reduce the current ripple of the output current waveform, the shorter the control cycle is, the better it is.
If the number of times of / OFF switching exceeds the loss limit number, the switching loss threatens the safety region. Therefore, this switching control check is to check the optimal switching control cycle in which both are satisfied, and is performed in the following procedure.

【0038】(1) スイッチング制御周期を10μs
として、1パルス分だけ直流電源1を仮運転し、ON/
OFF切り替え回数をカウントする。
(1) Switching control cycle is 10 μs
Tentatively operates the DC power supply 1 for one pulse,
The number of times of switching OFF is counted.

【0039】(2) その結果を前記した損失限界のO
N/OFF切り替え回数と比較する。ON/OFF切り
替え回数が、この損失限界のON/OFF切り替え回数
を下回るならば、10μsがそのまま適正クロックとな
る。反対に、この損失のON/OFF切り替え限界回数
を上回ると、スイッチング損失が安全領域を脅かすこと
を意味する。従って、スイッチング制御周期を大きくし
て、ON/OFF切り替え回数を滅らすことが必要とな
る。このような場合、 (3) ON/OFF切り替え回数が損失限界回数を下
回るようになるまで、スイッチング制御周期をアップす
る。この実施例では、20μs→25μs→50μs→
100μsと制御周期をアップしていき、ON/OFF
切り替え回数が損失限界回数を下回るようになるまで続
けられる。ON/OFF切り替え回数が、損失限界回数
を下回るようになった時点でのスイッチング制御周期が
最適値として選択される。
(2) The result is expressed as the loss limit O
This is compared with the number of N / OFF switching. If the number of times of ON / OFF switching is less than the number of times of ON / OFF switching at the loss limit, 10 μs becomes the proper clock as it is. Conversely, if this loss exceeds the ON / OFF switching limit number of times, it means that the switching loss threatens the safety region. Therefore, it is necessary to increase the switching control cycle to reduce the number of ON / OFF switching. In such a case, (3) the switching control cycle is increased until the number of times of ON / OFF switching becomes lower than the limit number of losses. In this embodiment, 20 μs → 25 μs → 50 μs →
ON / OFF by increasing the control cycle to 100 μs
The switching is continued until the number of switching falls below the loss limit. The switching control cycle at the time when the number of times of ON / OFF switching falls below the loss limit number is selected as the optimum value.

【0040】以上のような過程を経て、スイッチング素
子2のスイッチング損失が安全動作領域に入り、しか
も、出力電流リップルが最も小さい、最適スイッチング
制御周期が決定できる。
Through the above process, the switching loss of the switching element 2 enters the safe operation area, and the optimum switching control cycle with the smallest output current ripple can be determined.

【0041】なお、図5(a)〜(e)は上述の実施の
形態で用いたスイッチング素子2の各スイッチング制御
周期における出力電流波形のグラフである。つまり、制
御周期が大きくなると、損失は小さくなるものの電流リ
ップルは大きくなる。そのため、制御周期が大きくなる
と波形制御の性能が低下することは歪めない。
FIGS. 5A to 5E are graphs of output current waveforms in each switching control cycle of the switching element 2 used in the above embodiment. That is, as the control cycle becomes longer, the loss becomes smaller, but the current ripple becomes larger. Therefore, the performance of the waveform control is not degraded when the control cycle is increased.

【0042】このスイッチング制御チェックは、ユーザ
の出力設定(パルス波形、繰り返し)が変わる毎に行わ
れ、常にその出力条件に含った最適なスイッチング制御
周期が選択される。そして、ユーザからのレーザ照射開
始指令を受け取ると、レーザ電源は、この最適なスイッ
チング制御の周期で出力制御が開始する。
This switching control check is performed every time the output setting (pulse waveform, repetition) of the user changes, and the optimum switching control cycle included in the output condition is always selected. When a laser irradiation start command is received from the user, the output control of the laser power supply is started at the optimal switching control cycle.

【0043】上述のように本発明のレーザ電源装置によ
れば、レーザ媒質を励起するランプまたは半導体レーザ
に供給する電流波形を、毎回のスイッチング制御に対応
させて設定し、毎回のスイッチング制御はマイコン制御
ユニットに予め設定してある電流設定値と、電流検出器
によるレーザ励起ランプ7に流れる電流モニタ瞬時値と
をマイコン制御ユニットにより大小比較して判断し、マ
イコン制御ユニットによる大小比較結果が、(電流モニ
タ瞬時値)<(電流設定値)のときは、その回のスイッ
チング制御はONになる。一方、逆に(電流モニタ瞬時
値)≧(電流設定値)のときには、その回のスイッチン
グ制御はOFFにし、スイッチON/OFFの切り替え
回数低減を図り、スイッチング素子への過負荷は低減す
ることができ、常に最適の波形でレーザ励起ランプ等の
負荷を作動させることができる。
As described above, according to the laser power supply of the present invention, the current waveform supplied to the lamp or the semiconductor laser for exciting the laser medium is set in correspondence with each switching control, and each switching control is performed by the microcomputer. The microcomputer control unit compares the current set value preset in the control unit with the instantaneous value of the current monitor flowing to the laser excitation lamp 7 by the current detector, and determines the magnitude comparison result by the microcomputer control unit. When (current monitor instantaneous value) <(current set value), the switching control at that time is turned ON. On the other hand, when (current monitor instantaneous value) ≧ (current set value), the switching control at that time is turned off, and the number of times of switching ON / OFF is reduced, so that the overload on the switching element can be reduced. It is possible to always operate a load such as a laser excitation lamp with an optimum waveform.

【0044】また、上述の実施の形態では、スイッチO
N/OFF切り替え回数のカウントにより最適なスイッ
チング制御の周期を決定したが、スイッチON/OFF
切り替え回数のカウントではなく、ON/OFF切り替
え時における電流モニタ瞬時値を加算した結果により、
最適なスイッチング制御の周期を決める手法も有効であ
る。
In the above embodiment, the switch O
Although the optimal switching control cycle was determined by counting the number of N / OFF switching, the switch ON / OFF
Instead of counting the number of times of switching, the result of adding the instantaneous value of current monitoring at the time of ON / OFF switching,
A method of determining an optimal switching control cycle is also effective.

【0045】次に、上述のレーザ電源装置をレーザ装置
に用いた実施の形態について説明する。
Next, an embodiment in which the above-described laser power supply device is used for a laser device will be described.

【0046】図6は本発明の実施の形態の一例を示す固
体レーザ装置に用いたレーザ電源装置の使用状態を示
す、レーザ加工装置のブロック図である。なお、図中、
レーザ電源装置の部分についての、先のレーザ電源の実
施の形態と同一符号及び記号は、前記実施の形態の構成
部分と同一または相当する構成部分を示すものであるか
ら、ここでは重複する説明を省略する。
FIG. 6 is a block diagram of a laser processing device showing a use state of a laser power supply device used in a solid-state laser device according to an embodiment of the present invention. In the figure,
The same reference numerals and symbols as those of the laser power supply according to the embodiment of the present invention indicate the same or corresponding components as those of the above-described embodiment of the laser power supply device. Omitted.

【0047】すなわち、ランプ光源4を励起源として発
振するレーザ発振器15は、固体レーザ装置では図示し
ないYAG等の固体のレーザ媒質や共振器等で構成され
る。レーザ発振器15からは光フアイバまたはミラー等
で構成されたレーザビーム伝送手段16が加工機17へ
接続している。加工機17は図示しない加工へッド、駆
動装置やガス供給装置等で構成されたている。また、加
工機17には加工機17の駆動装置の速度指令、レーザ
電源装置への電流指令、被加工物の材質、形状等の加工
条件の設定及び制御等を行うコントローラ18が接続し
ている。また、コントローラは18はマイコン制御ユニ
ット8に接続している。したがって、レーザ発振器15
より出射されたレーザビーム19は、レーザビーム伝送
手段16、加工機17を介して被加工物20へ照射さ
れ、目的の加工に供される。
That is, the laser oscillator 15 which oscillates using the lamp light source 4 as an excitation source is composed of a solid-state laser medium such as YAG or a resonator not shown in the solid-state laser device. From the laser oscillator 15, a laser beam transmission means 16 including an optical fiber or a mirror is connected to the processing machine 17. The processing machine 17 includes a processing head (not shown), a driving device, a gas supply device, and the like. Further, the processing machine 17 is connected to a controller 18 for setting a speed command of a driving device of the processing machine 17, a current command to the laser power supply device, and setting and controlling processing conditions such as a material and a shape of a workpiece. . The controller 18 is connected to the microcomputer control unit 8. Therefore, the laser oscillator 15
The laser beam 19 emitted from the laser beam is radiated to the workpiece 20 via the laser beam transmission means 16 and the processing machine 17 and is provided for a target processing.

【0048】次に、本実施の形態のレーザ装置の動作に
ついて説明する。直流電源1よりレーザ励起ランプ7に
電気エネルギーが供給されて光に変換される。この光エ
ネルギーを励起源として、レーザ発振器15がレーザ発
振し、レーザビーム19を発生する。レーザビーム19
はレーザビーム伝送手段16、加工機17を介して、被
加工物20へ照射され、穿孔、切断、溶接、表面改質等
の所望の加工が行われる。このとき、ユーザはコントロ
ーラ18に、加工の目的や種類に応じて適当な加工条件
を設定すると、それに基づいてユーザ波形設定器9で波
形が設定される。
Next, the operation of the laser device according to this embodiment will be described. Electric energy is supplied to the laser excitation lamp 7 from the DC power supply 1 and converted into light. Using this light energy as an excitation source, the laser oscillator 15 oscillates and generates a laser beam 19. Laser beam 19
Is irradiated onto the workpiece 20 via the laser beam transmission means 16 and the processing machine 17, and desired processing such as drilling, cutting, welding, and surface modification is performed. At this time, when the user sets appropriate processing conditions in the controller 18 according to the purpose and type of processing, a waveform is set by the user waveform setting device 9 based on the processing conditions.

【0049】このユーザ波形設定器9波形設定によって
加工機17及び直流電源1からの出力が制御され、レー
ザ出力のリップルを小さくすることができ良好な加工品
質を得ることができる。
The output from the processing machine 17 and the DC power supply 1 is controlled by the waveform setting of the user waveform setting unit 9, so that the ripple of the laser output can be reduced and good processing quality can be obtained.

【0050】なお、加工条件はフロッピィディスク等の
記録媒体によってコントローラ18に与えられ、自動的
に加工が行なうこともできる。
The processing conditions are given to the controller 18 by a recording medium such as a floppy disk, and the processing can be performed automatically.

【0051】また、ユーザ波形設定器9はコントローラ
18の中に組み込まれていることもある。
The user waveform setting device 9 may be incorporated in the controller 18 in some cases.

【0052】[0052]

【発明の効果】本発明によれば、レーザ電源装置で負荷
のインピーダンス特性、フイルタ部のL値、入力直流電
圧源の値、レーザの出力波形設定等に応じて、随時変化
するスイツチング損失に対し、安全動作範囲か否かをリ
アルタイムに判断することが可能となり、スイッチの制
御周期を適正化し、スイッチングの信頼性を高め、か
つ、スイッチング回路の適正設計によるコスト低減され
たレーザ電源装置が得られる。
According to the present invention, the switching power loss in the laser power supply device is changed as needed according to the load impedance characteristic, the L value of the filter section, the value of the input DC voltage source, the output waveform setting of the laser, and the like. It is possible to determine in real time whether or not the laser is in a safe operation range, and to obtain a laser power supply device in which the control cycle of the switch is optimized, the reliability of the switching is increased, and the cost is reduced by appropriately designing the switching circuit. .

【0053】また、スイッチング部の動作信頼性の向上
と、スイッチング回路の部品コストを大幅に削滅するこ
とができる。
Further, it is possible to improve the operation reliability of the switching section and to largely reduce the component cost of the switching circuit.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のレーザ電源装置の回路構成図。FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a laser power supply device of the present invention.

【図2】(a)〜(e)は本発明の、いずれも予めマイ
コン制御ユニット内に設定されている制御周期を変化さ
せた電流波形データの模式グラフ。
FIGS. 2A to 2E are schematic graphs of current waveform data according to the present invention, in which a control cycle previously set in a microcomputer control unit is changed.

【図3】本発明のユーザがユーザ波形設定器に設定した
出力電流波形の模式図。
FIG. 3 is a schematic diagram of an output current waveform set by a user of the present invention in a user waveform setting device.

【図4】(a)〜(d)は本発明の、いずれもマイコン
制御ユニットでの制御の内容の説明図。
FIGS. 4A to 4D are explanatory diagrams of the contents of control by a microcomputer control unit in the present invention.

【図5】(a)〜(e)は本発明の、スイッチング素子
の各スイッチング制御周期における出力電流波形のグラ
フ。
FIGS. 5A to 5E are graphs of output current waveforms in each switching control cycle of the switching element according to the present invention.

【図6】本発明の実施の形態の一例を示す固体レーザ発
振器に用いたレーザ電源装置の使用状態を示すレーザ加
工装置のブロック図。
FIG. 6 is a block diagram of a laser processing apparatus showing a use state of a laser power supply device used for a solid-state laser oscillator according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…直流電流、2…スイッチング素子、4…インダク
タ、5…電流帰還ダイオード、6…電流検出器、7…レ
ーザ励起ランプ、8…マイコン制御ユニット、9…ユー
ザ波形設定器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... DC current, 2 ... Switching element, 4 ... Inductor, 5 ... Current feedback diode, 6 ... Current detector, 7 ... Laser excitation lamp, 8 ... Microcomputer control unit, 9 ... User waveform setting device

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 レーザ励起源に供給する電気波形をスイ
ッチング素子の毎回のスイッチング制御ごとに対応させ
て設定し、この毎回のスイッチング制御は予め設定され
ている設定電気値と前記レーザ励起源に流れる電気モニ
タ瞬時値と比較して判断しその結果にもとづいて制御す
るレーザ電源装置において、 前記予め設定されている設定電気値は、複数の値とされ
ていることを特徴とするレーザ電源装置。
An electric waveform to be supplied to a laser excitation source is set in correspondence with each switching control of a switching element, and each switching control is performed by setting a preset electric value and flowing to the laser excitation source. A laser power supply device that performs a determination based on a comparison with an instantaneous value of an electric monitor and performs control based on the result, wherein the preset set electric value is a plurality of values.
【請求項2】 前記スイッチング素子のスイッチング制
御は、ON/OFF切り替え回数をカウントしてこのカ
ウントされた数に応じて前記スイッチング制御の周期を
変化させて行うことを特徴とする請求項1記載のレーザ
電源装置。
2. The switching device according to claim 1, wherein the switching control of the switching element is performed by counting the number of times of ON / OFF switching and changing a cycle of the switching control according to the counted number. Laser power supply.
【請求項3】 前記スイッチング素子のスイッチング制
御は、ON/OFF切り替えの際の電気モニタ瞬時値を
加算しこの加算される値に応じてスイッチの制御周期を
変化させて行うことを特徴とする請求項1記載のレーザ
電源装置。
3. The switching control of the switching element is performed by adding an electrical monitor instantaneous value at the time of ON / OFF switching and changing a control cycle of the switch according to the added value. Item 2. A laser power supply device according to item 1.
【請求項4】 前記スイッチング素子のスイッチング制
御による、ONの際には直流電源よりインダクタンスを
介して前記レーザ励起源に電気を供給し、OFFの際に
は前記インダクタンスの逆起電力でその電気をダイオー
ドを介して帰還させ、その結果にもとづいて前記レーザ
励起源に供給する電気波形を設定することを特徴とする
請求項1乃至3のいずれかに記載のレーザ電源装置。
4. The switching control of the switching element supplies electricity to the laser excitation source from a DC power supply via an inductance when the switching element is turned on, and supplies the electricity with a back electromotive force of the inductance when the switching element is turned off. The laser power supply device according to any one of claims 1 to 3, wherein feedback is performed via a diode, and an electric waveform to be supplied to the laser excitation source is set based on the result.
【請求項5】 前記設定電気値と前記レーザ励起源に流
れる電気モニタ瞬時値との比較は、複数設定されている
前記設定電気値の前記スイッチング制御の周期の短い方
から順次長い方へと繰り上げて比較することを特徴とす
る請求項1記載のレーザ電源装置。
5. A comparison between the set electrical value and an instantaneous value of an electrical monitor flowing to the laser excitation source, wherein a plurality of the set electrical values are sequentially increased from a shorter cycle of the switching control to a longer one. The laser power supply device according to claim 1, wherein the comparison is made by comparing the values.
【請求項6】 請求項1乃至5のいずれかに記載された
レーザ電源装置を用いて動作することを特徴とするレー
ザ装置。
6. A laser device which operates using the laser power supply device according to claim 1. Description:
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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