JP2003243749A - レーザ電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放電電極に高周波電流を供給し放電させてレ
ーザ光を発生させるためのレーザ電源装置において、パ
ルス低レベル時には商用電源電圧の√２倍程度の低い電
圧を放電電極に印加するため、放電電種にはパワーが入
りにくく、放電の維持が困難であった。 【解決手段】 インバータ部を、連続動作以外に、群パ
ルス動作による間欠動作とすることで放電電極部の電力
を調整し、インバータ連続動作によるパルス高レベル期
間と、インバータ間欠動作によるパルス低レベル期間を
つくる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ放電加工
のための電源装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０は、特開平９-２３２６５８号公
報に示されたレーザ電源装置を示す。同図において、Ｄ
１は商用電源を整流する整流部、１５は前記整流部Ｄ１
によって平滑された電圧を昇圧する昇圧コンバータ部、
１７は前記昇圧コンバータ部により昇圧された電圧を高
周波に変換するインバータ部、１９は２次側に接続され
る負荷と絶縁するための絶縁トランス、２１は放電電
極、２３は所定の電力を供給するマッチング部である。

【０００３】次に動作について説明する。商用電源を整
流する整流部Ｄ１が商用電源が整流され、昇圧コンバー
タ部１５では平滑コンデンサＣ１およびインダクタＬ１
により、前記整流部Ｄ１で得られた整流電圧(脈流)を平
滑して直流電圧を得ている。また昇圧コンバータ部１５
には昇圧およびパワーコントロールを行うためのスイツ
チ素子Ｑ0が設けられており、ダイオードＤ２およびコ
ンデンサＣ２が設けられている。なおこのダイオードＤ
２およびＣ２は必ずしも必要ではない。さらにインバー
タ部１７は前記昇圧コンバータ部１５により昇圧および
パワーコントロールされた電圧を高周波電圧に変換す
る。この高周波電圧を絶縁トランス１９、調整されたマ
ッチング部２３を介して放電電極２１に供給し、放電電
極２１に電流を流してレーザ光を発光させる。昇圧コン
バータ部１５に設けられているスイッチ素子Ｑ0により
昇圧およびパワーコントロールを行うが、スイッチ素子
Ｑ0がオフの場合においても商用電源電圧の√２倍の電
圧をインバータ部１７に供給している。

【０００４】スイツチ素子Ｑ0がオフで、昇圧およびパ
ワーコントロールしていない状態でも商用電源電圧の√
２倍の電圧をインバータ部１７に供給しているため、一
定の電流が流れており、マツチング部２３はこの電流に
より放電電極２１がレーザ光を発する直前の状態として
いる。そのためこのときスイツチ素子Ｑ0の損失はゼロ
である。

【０００５】以上からレーザ光として出力しない注入電
力のパワーコントロールを止めることによりスイツチン
グ損失を最小にし、かつ昇圧を行うことができる。また
昇圧コンバータ部１５により昇圧するので昇圧トランス
を用いる必要が無く、重量的およびスペース的に有利と
なる。

【０００６】なおこの例では昇圧およびパワーコントロ
ールを昇圧コンバータ部１５で行う構成となっているた
め、昇圧トランスを用いる必要が無いことが明記されて
いる。またマッチング２３は電源の内部インピーダンス
と負荷インピーダンスとの整合をとり、負荷に最大の電
力を取り出すためのマッチング回路であって昇圧機能は
無い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】数ｋＷ出力の大型レー
ザ発振機では、数ｋＶ〜数１０ｋＶの高電圧を放電電極
に印加することが要求される。上記先行例のレーザ電源
装置にあっては、昇圧およびパワーコントロールを昇圧
コンバータ部のみで行っている。そのため商用電源電圧
を、数ｋＷ出力を得るためのレーザ発振用放電電極への
印加電圧まで昇圧する場合、昇圧コンバータ部には高耐
圧のスイツチ素子が要求される。また高電圧を得るため
に汎用のスイッチ素子を多直列化した場合、そのスイッ
チ素子の制御が難しくなるという問題があった。

【０００８】また大出力の交流放電を行うために、昇圧
コンバータを用いずに、昇圧トランスのみで商用電源電
圧をレーザ発振用放電電極への印加電圧まで昇圧させる
場合では、商用電源電圧を整流平滑した電圧と放電電極
印加電圧の比をトランスの昇圧比として、２次側巻き線
を決める必要がある。トランスのみで商用電源電圧を放
電電極印加電圧まで昇圧する場合、その昇圧比を高くす
る必要があり、２次側の巻き数が多くなるため、巻き線
間の浮遊容量が大きくなり異常な振動が発生する、絶縁
が劣化するため昇圧比を大きくとれない、といった問題
があった。

【０００９】また昇圧トランスの巻き数を多くした場
合、トランスの２次側巻き数の２乗に比例する２次側漏
れインダクタンスが大きくなるために電圧降下が大き
く、電源からレーザ発振のための電力を効率よく得るこ
とが困難であった。また所望の電圧を得るために２次側
巻き数を多くしたトランスを使用する場合、トランスの
漏れインダクタンスを低減するためにトランスを多並列
化する必要があり、コスト面、スペース面で不利である
という問題があった。

【００１０】さらにレーザ加工においては、後で参照す
る図６に示すように加工目的に応じてレーザ出力を１〜
数ｋＨｚにパルス化する必要がある。そのときパルスの
高レベル期間においては光としてレーザ出力を得る。さ
らにパルス低レベル期間においても、次のパルス高レベ
ル期間に容易にレーザ出力を得ることができるように、
レーザ光としては出力を得ないが放電を持続させておく
必要がある。このとき入力パワーはレーザ光としての出
力を発生しない値まで下げておく必要がある。ここで放
電電極は誘電体構造であるため容量性の負荷である。そ
のため昇圧コンバータによるパワーコントロールでは、
パルス高レベル時には高い電圧が放電電極に印加される
ため問題ないとしても、パルス低レベル時には商用電源
電圧の√２倍程度の低い電圧を放電電極に印加するた
め、放電電種にはパワーが入りにくく、放電の維持が困
難であるという問題があった。

【００１１】従って本発明は、上述の課題を解決したレ
ーザ電源装置を提供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１のレー
ザ電源装置は、放電電極に高周波電流を供給し放電させ
てレーザ光を発生させるためのレーザ電源装置におい
て、商用電源を整流して平滑な直流を得る整流部と、こ
の整流部により整流された直流を昇圧する昇圧コンバー
タ部と、この昇圧コンバータ部により昇圧された電源を
高周波に変換するインバータ部と、このインバータ部に
より高周波に変換された電源をレーザ発振用放電電極へ
の印加電圧まで昇圧する昇圧トランスと、この昇圧トラ
ンスにより昇圧された電源を印加して放電を発生する放
電電極とを備える。

【００１３】請求項１のレーザ電源装置では、このよう
に整流部により整流された直流を一旦昇圧する昇圧コン
バータ部を設け、この昇圧コンバータ部により昇圧され
た直流電圧を高周波に変換するインバータ部と、このイ
ンバータ部により高周波に変換された高周波電圧をレー
ザ発振用放電電極への印加電圧まで昇圧する昇圧トラン
スとを組み合わせることにより、所望の電圧を得るため
の昇圧トランスの巻数比を減らすことができる。これよ
りトランスの２次側巻き数を滅らすことができる。よっ
てトランスの２次側漏れインダクタンスを低減できる。
これより電源からの電力を効率よく放電電極に印加する
ことができるため、レーザの発振効率を向上できるとと
もにトランスを小型化、低コスト化できる。

【００１４】請求項２のレーザ電源装置は、昇圧コンバ
ータ部の昇圧電圧を商用電源電圧以上、レーザ発振用放
電電極部への印加電圧以下にし、この昇圧コンバータ部
により昇圧された電源をインバータ部により高周波に変
換し、この高周波に変換された電圧を昇圧トランス部で
レーザ発振用放電電極への印加電圧まで昇圧する。

【００１５】この請求項２のレーザ電源装置では、この
ように昇圧コンバータでトランスの１次側電圧を商用電
源電圧以上に昇圧させることにより、同一パワーを得る
ためのインバータ素子電流を低下させることができるの
で、スイツチ素子には定格電流の大きいものが要求され
ず、比較的低廉な部品を用いることができる。また昇圧
電圧を商用電源電圧以上で、レーザ発振用電極への印加
電圧以下の適当な値に設定するため、スイッチ素子は高
耐圧品を必要とせず、さらには多直列で用いる必要もな
い。そのためコスト面で有利であるとともに、ゲート回
路を簡略化できる。また昇圧コンバータにより一旦昇圧
させているので、上記請求項１と同様にトランス２次側
漏れインダクタンスを低滅できるため、電源からの電力
を効率よく放電電極に印加できる。これによりレーザの
発振効率が向上できるとともに、トランスを小型化、低
コスト化できる。

【００１６】請求項３のレーザ電源装置は、インバータ
部を連続動作と間欠動作の群パルス動作させることによ
り放電電極部の電力を調整し、インバータ連続動作のパ
ルス高レベル期間とインバータ間欠動作のパルス低レベ
ル期間を設けている。

【００１７】この請求項３のレーザ電源装置では、イン
バータ部を連続動作と間欠動作の群パルス動作させるこ
とにより放電電極部に印加する電力を調整できる。イン
バータ連続動作時には放電電極へ印加する平均電力が高
いため、平均レーザ出力の高いパルス高レベル期間をつ
くり、インバータ間欠動作時には放電電極へ印加される
平均電力が低いため、パルス低レベル期間を作る。この
とき昇圧コンバータにより一旦電圧を昇圧しているの
で、商用電源電圧より高い電圧でインバータを動作さる
ことができる。これにより放電電流の小電流領域である
パルス低レベル期間にも、パルス高レベル期間と同様に
高いピーク電圧で放電を発生させることができる。よっ
てパルス低レベル期間におけるレーザ強度分布の偏りを
無くすことができるため、放電の安定化が図れ、レーザ
の発振効率が上がる。またパルス低レベル期間にはイン
バータが間欠動作しているため、インバータスイッチ素
子のスイッチング損失を低滅できる。

【００１８】請求項４のレーザ電源装置は、パルス高レ
ベル期間のインバータ群パルス幅はレーザ発振閾値出カ
相当以上、パルス低レベル期間のインバータ群パルス幅
はレーザ発振閾値出カ相当以下に設定する。

【００１９】レーザ加工においては、加工目的に応じて
レーザ出力を１〜数ｋＨｚにパルス化する必要がある。
このときパルスの高レベル期間においては、レーザ光と
してレーザ出力を得る。しかしパルス低レベル期間にお
いても、次のパルス高レベル期間に滑らかに移行できる
ように、放電電極部において、レーザ光としての出力は
得ないが種火としての放電は持続させておく必要があ
る。このとき入力パワーはレーザ光としての出力を発生
しない値まで下げる必要がある。そこで請求項４のレー
ザ電源装置では、パルス高レベル期間には、インバータ
を連続動作あるいはインバータ群パルス幅をレーザ発振
闘値出力相当以上にすることによりレーザ光としてレー
ザ出力を得る。パルス低レベル期間にはインバータ群パ
ルス幅をレーザ発振閾値相当以下にすることにより、入
力のパワーをレーザ光として出力を得ない値まで下げる
ことができるのでパルス低レベル期間のレーザ発振を抑
制できる。また放電電極部には商用電源電圧よりも高い
ピーク電圧を印加していることから、パルス低レベル期
間での放電を安定に維持することができるため、滑らか
にレーザ出力停止状態からレーザ出力の状態に移行でき
る。これによりレーザの発振効率が向上する。

【００２０】請求項５のレーザ電源装置は、請求項３に
おいて、パルス低レベル期間のインバータパルス幅を、
パルス高レベル期間のインバータパルス幅よりも狭くし
ている。

【００２１】この請求項５のレーザ電源装置では、パル
ス低レベル期間のインバータパルスの幅を、パルス高レ
ベル期間のインバータパルス幅よりも狭くすることによ
り、放電電極部への入力パワーを抑制できるので、パル
ス低レベル期間のレーザ発振を抑制できる。また商用電
源電圧より高いピーク電圧を印加できるので請求項４の
ものと同様にパルス低レベル期間での放電を安定に維持
することができ、レーザ出力停止状態から滑らかにレー
ザ光としてレーザ出力を取り出せる状態に移行できる。
これによりレーザ発振効率が向上する。

【００２２】請求項６のレーザ電源装置は、請求項３に
おいて、パルス低レベル期間は、パルス高レベル期間に
比べて昇圧コンバータ出力を低下させている。

【００２３】この請求項６のレーザ電源装置では、パル
ス低レベル期間において、昇圧コンバータ出力をパルス
高レベル期間時の出力電圧に比べて下げることにより放
電電極部への入力パワーを抑制できる。また昇圧コンバ
ータ部の制御では、出力電圧を商用電源電圧の√２倍以
下には下げることができないので、発振閾値電力が低い
場合ではこの電力を放電電極部に印加するとレーザ発振
をしてしまう。昇圧コンバータ部の出力電圧を下げ、イ
ンバータ部を群パルス動作させることにより、放電電極
部には商用電源電圧よりは高いピーク電圧が印加でき、
かつ発振閾値電力よりも十分に小さいパワーを印加でき
る。これによりレーザ発振を抑制することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】実施形態１ 数ｋＷ出力の大型レーザ発振機では、数ｋＶ〜数１０ｋ
Ｖの高電圧を放電電極に印加することが要求される。先
行例のレーザ電源装置にあっては、昇圧およびパワーコ
ントロールを昇圧コンバータ部のみで行っている。その
ため商用電源電圧を、数ｋＷ出力を得るためのレーザ発
振用放電電極への印加電圧まで昇圧する場合、昇圧コン
バータ部には高耐圧のスイッチ素子が要求される。また
高電圧を得るために汎用のスイッチ素子を多直列化した
場合、そのスイッチ素子の制御が難しくなるという間題
があった。

【００２５】また大出力の交流放電を行うために、昇圧
コンバータを用いずに、昇圧トランスのみで商用電源電
圧をレーザ発振用放電電極への印加電圧まで昇圧させる
場合では、電源出力電圧と放電電極印加電圧の比をトラ
ンスの昇圧比として、２次側の巻き数を決める必要があ
る。そのため高電圧を得るために昇圧比を高くとった場
合には、２次側の巻き数が多くなるため、巻き線間の浮
遊容量が大きくなり異常な振動が発生する、絶縁が劣化
するため昇圧比を大きくとれない、といった問題があっ
た。

【００２６】また昇圧トランスの巻き数を多くした場
合、２次側巻き数の２乗に比例する昇圧トランスの２次
側漏れインダクタンスが大きくなるため、電圧降下が大
きく、電源からレーザ発振のための電力を得ることが困
難であった。また所望の電力を得るために２次側巻き数
を多くしたトランスを使用する場合、トランスの漏れイ
ンダクタンスを低減するためにトランスを多並列化する
必要があり、コスト面、スペース面で不利であるといっ
た問題があった。今回の発明により、これらの問題点を
解決する。

【００２７】まずトランスの漏れインダクタンスについ
て考える。トランス漏れインダクタンスに関する考え方
の前提として、１次巻き線の上に２次巻き線を巻いたト
ランスを念頭に置く。１次巻き線による磁束のほとんど
は外側に巻かれた２次巻き線にて鎖交するが、２次巻き
線によって発生する磁束のうち、２次巻き線と１次巻き
線との間に発生するものは１次巻き線には鎖交しない。
従って２次側からみたトランスの漏れインダクタンスは
２次巻き線によるものであると考え、その大きさは２次
巻き線の２乗に比例すると考える。

【００２８】鎖交磁束数をΦ、磁束密度をＢ、トランス
のコア断面積をＳ、トランス巻き数をＮ、半周期をＴ、
印加電圧をＥ、印加電圧の周波数をｆとすると、一般式
より 鎖交磁束数Φ＝Ｎφ＝ＢＳＮ＝ＬＩ＝ＥＴ Ｌ∝Ｂ＝ＥＴ／ＳＮ＝Ｅ／２ＳＮｆ となる。

【００２９】まず１次側電圧を増加した場合、磁束密度
Ｂを一定にするためにｌ次側巻き線の巻き数を増加する
だけであるので、２次側から見た漏れインダクタンスは
変化しない。次にＢを一定の条件でｆを増加すると、ｌ
次側巻き数がｆの反比例で減るから２次側巻き数の２乗
に比例する漏れインダクタンスは大幅に滅る。

【００３０】図２はこの関係を示したものである。図２
(ａ)は従来の電源電圧を２００Ｖとしたときの昇圧コン
バータ部による昇圧比と昇圧トランスの巻き数比の関係
を示している。図２(ａ)に示すように昇圧コンバータ部
の昇圧比を上げるにつれて、昇圧トランスの巻き数比を
低減できる。

【００３１】図２(ｂ)は例えば従来のインバータ周波数
を２００ｋＨｚとした場合で、インバータ周波数とトラ
ンスの漏れインダクタンスの関係を示している。昇圧コ
ンバータ部により商用電源電圧を昇圧して昇圧トランス
の巻き数比を低減する。これに伴ってインバータ周波数
を上げる。これによってトランスの巻き数を低滅できる
ため、２次側巻き数の２乗に比例するトランス２次側偏
れインダクタンスを大幅に低減できる。

【００３２】以上よりトランスの２次側漏れインダクタ
ンスを低滅できるため、電源からの電力が効率よく放電
電極に供給され、レーザの発振効率を向上できるととも
にトランスを小型化、低コスト化できる。

【００３３】図１はこの発明に係わるレーザ電源装置を
示している。図１を参照するに、このレーザ電源装置で
は、商用２００Ｖの三相交流電源を整流して脈流を得る
整流部１００と、平滑コンデンサＣ１およびインダクタ
Ｌ１により、整流電圧を平滑して直流電圧を得て、それ
を昇圧する昇圧コンバータ部１０と、昇圧コンバータ部
１０により昇圧された直流電圧を高周波に変換するため
に複数のスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４からなるインバータ部
１１０と、このインバータ部１１０により高周波に変換
された高周波電圧をレーザ発振用放電電極部１２０への
印加電圧まで昇圧する昇圧トランス部２０と、この昇圧
トランス部２０により昇圧された電圧の供給によりレー
ザを発する放電電極部１２０とを備えている。

【００３４】昇圧コンバータ部１０にはスイッチ素子Ｓ
１が設けられており、昇圧コンバータ部１０の出力電圧
値Ｖｏは、ｄｕｔｙ比設定回路８１により、このスイッ
チ素子Ｓ１のｄｕｔｙ比を変えることにより任意に設定
できる。例えばこのスイッチ素子Ｓ１をオン／オフする
ＰＷＭ（パルス幅変調）制御によって、昇圧コンバータ
部１０の出力電圧Ｖｏを任意の一定電圧に調整すること
が可能である。

【００３５】なお昇圧コンバータ部１０により昇圧する
電圧値は、昇圧コンバータ部１０に使用するスイッチ素
子Ｓ１およびインバータ部に使用するスイッチ素子Ｑ１
〜Ｑ４の素子耐電圧によって決定する。昇圧電圧を高く
するとスイッチ素子の高耐圧化が要求されるため、昇圧
コンバータによる昇圧比は１：１〜１：５程度に選ぶと
良い。これにより後述の昇圧トランス２０において、同
一出力を得るための巻き数比を減らすことができる。

【００３６】インバータ部１１０は４組のスイツチ素子
Ｑ１〜Ｑ４からなっており、Ｑ１とＱ２、Ｑ３とＱ４の
組み合わせを、スイッチング信号作成回路８２よりのス
イッチング信号で交互に高周波でオン／オフすることに
より、昇圧された電圧を高周波に変換する。周波数を上
げるにつれてトランスの漏れインダクタンスを低減する
ことができるが、周波数の上昇に伴ってスイッチ素子Ｑ
１〜Ｑ４のスイッチング損失が増加するため、周波数は
これらの兼ね合いで決定する。そのためインバータ周波
数は１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度に選ぶとよい。これに
より同一電力を得るためのトランスの巻き数を減らすこ
とができる。

【００３７】昇圧トランス部２０は、インバータ部１１
０により高周波に変換された高周波電圧をレーザ発振用
放電電極１２０への印加電圧まで昇圧する。

【００３８】以上より整流部１００により得られた直流
電圧を一旦昇圧する昇圧コンバータ部１０を設け、この
昇圧コンバータ部１０により昇圧された電圧を高周波に
変換するインバータ部１１０と、このインバータ部１１
０により高周波に変換された電圧を昇圧する昇圧トラン
ス２０とを組み合わせることにより大出力の電源を作り
出すことができ、かつ所望の電圧を得るための昇圧トラ
ンス部２０の巻き数比を減らすことができるため、巻き
線間の浮遊容量を小さくすることができ、異常な振動が
発生する、絶縁が劣化するため昇圧比を大きくとれない
といった間題を解決できる。

【００３９】また昇圧トランス部２０の２次側巻き数を
減らすことができるので、２次側巻き数の２乗に比例す
るトランスの２次側漏れインダクタンスを大幅に小さく
することができ、電源から効率よくレーザ発振のための
電力を得ることができる。さらにはトランスを小型化で
きるためコスト面、スペース面で有利である。

【００４０】実施形態２ この第２の実施形態では、図１のレーザ電源装置におい
て、昇圧コンバータ部１０の昇圧電圧を商用電源電圧以
上、レーザ発振用放電電極への印加電圧以下にし、この
昇圧された電圧をインバータ部１１０で高周波に変換
し、この高周波に変換された電圧を昇圧トランス２０で
レーザ発振用放電電極１２０への印加電圧まで昇圧して
いる。

【００４１】このように昇圧トランス部１２０の１次側
電圧をＮ倍に昇圧することにより、商用電源電圧から直
接得ていた電力と同一の電力を得るための１次側素子電
流が１／Ｎ倍に低下する。そのため昇圧コンバータ部１
０による昇圧電圧を、使用する素子の定格電流に応じて
設走することで、インバータ部１１０のスイッチ素子Ｑ
１〜Ｑ４には定格電流の大きな素子が要求されず、比較
的低廉な素子を使用することができる。

【００４２】昇圧コンバータ部１０により昇圧する電圧
値は、昇圧コンバータ部１０に使用するスイッチ素子Ｓ
１およびインバータ部１１０に使用するスイッチ素子Ｑ
１〜Ｑ４の素子耐圧によって決定する。昇圧電圧を高く
するとスイッチ素子Ｓ１およびＱ１〜Ｑ４には高耐圧の
ものが要求されるため、商用電源の整流平滑電圧√２×
２００Ｖに対して、昇圧コンバータ部１０の昇圧比は
１：１〜１：５以下（昇圧電圧１２５０Ｖ以下）に選ぶ
と良い。このようにすればスイッチ素子Ｓ１およびＱ１
〜Ｑ４には高耐圧のものを用いる必要が無く、汎用品を
利用することができる。また高耐圧化のために素子を多
直列で使用する必要も無い。そのためコスト面で有利に
なるとともにゲート回路を簡略化できる。

【００４３】またこのときのインバータ部１１０の周波
数を増加させるにつれて、トランスの漏れインダクタン
スを低減させることができるが、周波数が増加するにつ
れてインバータ素子Ｑ１〜Ｑ４のスイツチング損失が増
える。また容量性の放電電極とのマッチングの問題もあ
る。これらの兼ね合いからインバータ周波数は１００ｋ
Ｈｚがら１ＭＨｚの高周波に選ぶとよい。このように高
周波にするとトランスの巻き数を大幅に減らすことがで
きる。この高周波に変換された電源を後段の昇圧トラン
ス部２０でレーザ発振用放電電極部１２０への印加電圧
（数ｋＶ〜数１０ｋＶ）まで昇圧する。

【００４４】例として図３に示すように、商用電源電圧
２００Ｖをレーザ発振用放電電極への印加電圧として〜
１０ｋＶまで昇圧するとする。

【００４５】図３(ａ)に示すように、昇圧コンバータを
用いずに昇圧トランス部６０のみでレーザ発振用放電電
極５２０への印加電圧まで昇圧するとすると、トランス
の１次側電圧は商用電源を整流平滑したものであるので
√２×２００Ｖとなり、必要な昇圧トランス部６０の巻
き数比は１：３５になる。

【００４６】図３(ｂ)に示すように昇圧トランス部２０
の１次側電圧を、一旦昇圧コンバータ部１０により商用
電源電圧より昇圧する。昇圧コンバータ部１０による昇
圧電圧は、昇圧コンバータ部１０のスイツチ素子Ｓ１お
よびインバータ部１１０のスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の素
子耐圧問題から１〜５倍（２５０Ｖ〜１２５０Ｖ）に選
ぶ。これとともにインバータ部１１０の動作周波数は１
００ｋＨｚから１ＭＨｚ程度の任意の値に設定する。こ
れにより図３(ａ)に比べると同一出力を得るための昇圧
トランス部２０の巻き数は、１〜１／５倍（トランス昇
圧比１：３５〜ｌ：７）まで低減できる。そのため２次
側巻き数の２乗に比例する昇圧トランス部２０の２次側
漏れインダクタンスは１〜１／２５倍まで低減できる。
これにより請求項１と同様にトランスの小型化、低コス
ト化が図れるとともに、スイッチ素子Ｓ１およびＱ１〜
Ｑ４には高耐圧のものを用いる必要が無く、汎用品を利
用することができる。また高耐圧化のために素子を多直
列で使用する必要も無い。そのためコスト面で有利にな
るとともにゲート回路を簡略化できる。

【００４７】実施形態３ 放電電極は容量性負荷になっている。そのためパワーコ
ントロールを昇圧コンバータで行った場合で、高出力を
得る場合においては、高電圧を放電電極に印加するので
問題ないが、比較的低出力を望む場合には、低電圧を放
電電極に印加するので放電電極へのパワーが入力されに
くく、放電の維持を困難にし、レーザ発振効率が下がる
といった間題があった。また昇圧およびパワーコントロ
ールを行う昇圧コンバータが無く、パワーコントロール
をインバータのＰＷＭ（パルス幅変調）等で行った場合
でも、放電電極には商用電源電圧の√２倍の電圧しかか
からず、上記と同様の問題があった。

【００４８】そこで第３の実施形態では、これを解決す
る方法として、昇圧コンバータ部１０の出力電圧Ｖｏを
商用電源電圧よりも高い電圧で一定にし、そして図４に
示すようにインバータ部１１０の動作を連続動作と間欠
動作の群パルス動作させることにより、放電電極部１２
０の電力を調整する方法を提供している。

【００４９】連続動作と間欠動作の群パルス動作とする
ために、図１のスイッチング信号作成回路８２におい
て、インバータ部１１０のスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４に駆
動信号を供給するための回路に、例えばＡＮＤゲートを
用い、その一方の入力部に、インバータ周波数と同じ周
波数の信号(Ａ)を供給し、他方の入力部には、ゲートを
オン／オフさせるための信号(Ｂ)を供給する。この信号
(Ｂ)はインバータ周波数よりも低い１〜数１００ｋＨｚ
の信号とし、電力指令信号に基づき、その信号(Ｂ)のｄ
ｕｔｙ比を０から１００％の間で変化させることによ
り、上記連続動作と間欠動作の群パルス動作を実現でき
る。

【００５０】あるいは、ＲＯＭに予め必要な複数の信号
パターンを書き込んでおき、指令信号に対応する信号パ
ターンを読出し、それを上記スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４に
駆動信号として供給する。

【００５１】この方法により出力のパワーコントロール
が行える。インバータ連続動作時には放電電極へ印加す
る平均電力が高いため平均レーザ出力の高いパルス高レ
ベル期間をつくり、イソバータ間欠動作時には放電電極
へ印加される平均電力低いためパルス低レベル期間を作
る。またこのとき昇圧コンバータ１０により一旦電圧を
昇圧しているので、商用電源電圧より高い電圧でインバ
ータ部１１０を動作させることができる。これにより低
レーザ出力が要求される場合においても、高レーザ出力
時と同様に高いピーク電圧で放電を発生させることがで
きるので、放電の安定化が図れ、レーザの発振効率が上
がる。さらには低レーザ出力時にはインバータ部１１０
が間欠動作しているため、インバータ部１１０のスイッ
チ素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング損失を低減できる。

【００５２】実施形態４ レーザ加工においては、加工目的に応じてレーザ出カを
１〜数ｋＨｚにパルス化する必要がある。このときパル
スの高レベル期間においてはレーザ光としてレーザ出力
を得る。しかしパルス低レベル期間においても、次のパ
ルス高レベル期間に容易にレーザ出力を得ることができ
るように、レーザ光としては出力を得ないが放電を持続
させておく必要がある。このとき入力パワーは図５に示
すようにレーザ光としての出力を発生しない値まで下げ
ておく必要がある。

【００５３】従来このパルス低レベル期間を作るために
は、図６に示すように、例えば整流部Ｄ１にサイリスタ
を使用して導通角を制御したり、あるいは従来例のよう
に昇圧コンバータ部１０の昇圧動作を停止させて商用電
源電圧の√２倍程度の電圧を放電電極部１２０に印加す
るなどして、放電電極部１２０へ印加する電圧のピーク
値を下げていた。しかしながら放電電極部１２０は容量
性の負荷である。昇圧コンバータによるパワーコントロ
ールではパルス高レベル時には高いピーク電圧が放電電
極部１２０に印加されるため問題ないとしても、パルス
低レベル時には商用電源電圧の√２倍程度の低い電圧を
放電電極部１２０に印加するので、放電電極へはパワー
が入りにくく、放電の維持が困難であるという問題があ
った。

【００５４】そこで第４の実施形態では、これを解決す
る方法として、図７に示すようにパルス低レベル期間の
インバータ群パルス幅は、放電は持続しているが、レー
ザ光としての出力を発生しないレーザ発振閾値出力以下
とする方式を提供している。

【００５５】この方式を実現するには、上記信号(Ｂ)に
替えて、低出力期間にあっては更に周波数の低い１〜数
ｋＨｚの信号のオン／オフ信号にして上記ＡＮＤゲート
に供給すればよい。

【００５６】これとは別に、パルス化周波数信号に応じ
てＲＯＭから所定の信号パターンを読み出すようにして
もよい。この場合も、パルス低レベル期間におけるイン
バータ群パルス幅は、前記レーザ発振閾値以下とする設
定にする。

【００５７】また、第４の実施形態では高レベル期間と
レーザ発振閾値以下の低レベル期間を作り出せばよいの
で、２種類のパルス信号発生回路を備え、パルス化周波
数に応じていずれかの信号を採用して上記スイッチ素子
Ｑ１〜Ｑ４に供給してもよい。

【００５８】これより、レーザ光としては出カを得ない
が放電を維持させておくパルス低レベル期間において
も、高いピーク電圧を放電電極に印加できるため、レー
ザ光としての出力を得ないが放電維持の状態を保つこと
ができる。またレーザパルス低レベル期間に安定した放
電を保つことができるため、次のパルス高レベル期間へ
の以降が容易になる。これによりレーザ発振効率が向上
する。

【００５９】実施形態５ 第５の実施形態は、昇圧コンバータ部１０により一旦商
用電源電圧を昇圧し、これをインバータ部１１０に印加
し、そして図８に示すように、インバータ部１１０にお
いてはパルス低レベル期間に、インバータ動作パルスの
幅をパルス高レベル期間より狭くする。これにより放電
電極部１２０への入力パワーを抑制できるので、パルス
低レベル期間のレーザ発振を抑制できる。

【００６０】放電電極部１２０への印加電圧ピークは、
昇圧コンバータ部１１０により商用電源電圧より高くな
っているので、パルス低レベル期間においても放電電極
部１２０には高いピーク電圧が印加される。これにより
上記実施の形態４と同様に、レーザ光としては出力を得
ないが放電を持続させておくパルス低レベル期間におい
ても、高いピーク電圧を放電電極に印加できるためレー
ザ光として出力を得ないが放電維持の状態に保つことが
できる。

【００６１】またパルス低レベル期間に安定した放電を
保つことができるため、次のパルス高レベル期間への移
行が滑らかになる。これによりレーザの発振効率が向上
する。レーザ出力はスイッチ素子ＱｌとＱ２、Ｑ３とＱ
４の組み合わせで交互にオン／オフするインバータ部１
１０のスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４をＰＷＭ（パルス幅変
調）制御することにより、放電電極部１２０への入力パ
ワーをコントロールすることができる。

【００６２】実施形態６ レーザ発振が完全に停止している状態においても、レー
ザ光としての出力を得ることができる状態に滑らかに移
行することが望まれる。そのためレーザ発振が完全に停
止している状態においても、パルス動作時のパルス低レ
ベル期間よりもさらに小さい電力で放電を持続させてお
く必要がある。

【００６３】そこで第６の実施形態では、これを解決す
るために図９に示すように、レーザパルス低レベル期間
において、昇圧コンバータ部１０の出力電圧をレーザパ
ルス高レベル期間時の出力電圧に比べて下げることによ
り、放電電極部１２０への入力パワーを抑制する。

【００６４】これを行うには、電力指令信号に基づき、
昇圧コンバータ部１０のスイッチ素子Ｓ１のｄｕｔｙ比
を変化させればよい。

【００６５】昇圧コンバータの出力電圧をレーザ高レベ
ル期間時の出力電圧に比べて下げ、かつインバータ部を
群パルス動作させることにより、商用電源電圧よりも高
いピーク電圧を放電電極に印加しつつ、より小さい電力
でレーザ光としての出力を得ない放電維持の状態に保つ
ことができる。これによりレーザ出力停止状態からパル
ス高レベル期間への移行が容易になる。これによりレー
ザ発振効率が向上する。

【００６６】昇圧コンバータ部１０の出力は、スイッチ
素子Ｓ１のｄｕｔｙにより任意に設定できる。例えばこ
のスイッチ素子Ｓ１をオン／オフするＰＷＭ(パルス幅
変調)制御によって、昇圧コンバータ部１０の出力を一
定にできる。

【００６７】

【発明の効果】請求項１のレーザ電源装置は、昇圧コン
バータ部および昇圧トランスにより昇圧するようにした
ので、所望の電圧を得るための昇圧トランスの巻数比を
減らすことができ、これよりトランスの２次側漏れイン
ダクタンスを低減できるため、電源からの電力を効率よ
く放電電極に印加することができ、トランスを小型化、
低コスト化できる。

【００６８】請求項２のレーザ電源装置は、昇圧コンバ
ータ部の昇圧電圧を商用電源電圧以上、レーザ発振用放
電電極部への印加電圧以下にしたので、同一パワーを得
るためのインバータ素子電流を低下させることができる
ので、スイツチ素子には定格電流の大きいものが要求さ
れず、比較的低廉な部品を用いることができる。またス
イッチ素子は高耐圧品を必要とせず、さらには多直列で
用いる必要もない。そのためコスト面で有利であるとと
もに、ゲート回路を簡略化できる。

【００６９】請求項３のレーザ電源装置は、インバータ
部を連続動作と間欠動作の群パルス動作させることによ
り放電電極部の電力を調整するようにしたものであり、
放電電流の小電流領域であるパルス低レベル期間にも、
パルス高レベル期間と同様に高いピーク電圧で放電を発
生させることができるため、放電の安定化が図れ、レー
ザの発振効率が上がる。またパルス低レベル期間にはイ
ンバータが間欠動作しているため、インバータスイッチ
素子のスイッチング損失を低滅できる。

【００７０】請求項４のレーザ電源装置は、パルス高レ
ベル期間のインバータ群パルス幅はレーザ発振閾値出カ
相当以上、パルス低レベル期間のインバータ群パルス幅
はレーザ発振閾値出カ相当以下に設定したので、入力の
パワーをレーザ光として出力を得ない値まで下げること
ができ、パルス低レベル期間のレーザ発振を抑制でき
る。また放電電極部には商用電源電圧よりも高いピーク
電圧を印加していることから、パルス低レベル期間での
放電を安定に維持することができるため、滑らかにレー
ザ出力停止状態からレーザ出力の状態に移行できる。

【００７１】請求項５のレーザ電源装置は、パルス低レ
ベル期間のインバータパルス幅を、パルス高レベル期間
のインバータパルス幅よりも狭くしたので、放電電極部
への入力パワーを抑制でき、パルス低レベル期間のレー
ザ発振を抑制できる。また商用電源電圧より高いピーク
電圧を印加できるのでパルス低レベル期間での放電を安
定に維持することができ、レーザ出力停止状態から滑ら
かにレーザ光としてレーザ出力を取り出せる状態に移行
できる。

【００７２】請求項６のレーザ電源装置は、パルス低レ
ベル期間は、パルス高レベル期間に比べて昇圧コンバー
タ出力を低下させるようにしたので、放電電極部への入
力パワーを抑制できる。また昇圧コンバータ部の出力電
圧を下げ、請求項３のようにインバータ部を群パルス動
作させることにより、放電電極部には商用電源電圧より
は高いピーク電圧が印加でき、かつ発振閾値電力よりも
十分に小さいパワーを印加できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のレーザ電源装置の構成図

【図２】 昇圧比と昇圧トランスの巻き数比の関係およ
びインバータ周波数とトランスの漏れインダクタンスの
関係を示したグラフ

【図３】 昇圧コンバータを不使用時と使用時とにおけ
る昇圧トランスの巻き数比を示した図

【図４】 インバータを連続動作と間欠動作の群パルス
動作させたときの放電出力と平均レーザ出力を示した図

【図５】 入力パワー対レーザ出力の関係を示したグラ
フ

【図６】 インバータ出力電圧の低下させたときの放電
出力と平均レーザ出力を示した図

【図７】 パルス低レベル期間のインバータ群パルス幅
をレーザ発振閾値出力以下としたときの放電出力と平均
レーザ出力を示した図

【図８】 パルス低レベル期間に、インバータ動作パル
スの幅をパルス高レベル期間より狭くしたときの放電出
力と平均レーザ出力を示した図

【図９】 レーザパルス低レベル期間に、昇圧コンバー
タ部１０の出力電圧をレーザパルス高レベル期間時の出
力電圧に比べて低下させたときの放電出力と平均レーザ
出力を示した図

【図１０】 公報に示されたレーザ電源装置の構成図

【符号の説明】

１０ 昇圧コンバータ部、２０ 昇圧トランス部、８１
duty比設定回路、８２スイッチング信号作成回路、１
００ 整流部、１２０ 放電電極部、Ｓ１ スイッチ素
子、Ｑ スイッチ素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 昭弘 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 松原 真人 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5F071 GG02 GG03 GG05 GG09 HH07 JJ01 JJ02 JJ05 5H007 AA02 CA02 CB02 CB04 CB05 CC07 CC13 DB01 EA09

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電電極に高周波電流を供給し放電させ
   てレーザ光を発生させるためのレーザ電源装置におい
   て、商用電源を整流して平滑な直流を得る整流部と、こ
   の整流部により整流された直流を昇圧する昇圧コンバー
   タ部と、この昇圧コンバータ部により昇圧された電源を
   高周波に変換するインバータ部と、このインバータ部に
   より高周波に変換された電源をレーザ発振用放電電極へ
   の印加電圧まで昇圧する昇圧トランスと、この昇圧トラ
   ンスにより昇圧された電源を印加して放電を発生する放
   電電極とを備えていることを特徴とするレーザ電源装
   置。
2. 【請求項２】 昇圧コンバータ部の昇圧電圧を商用電源
   電圧以上、レーザ発振用放電電極部への印加電圧以下に
   し、この昇圧コンバータ部により昇圧された電源をイン
   バータ部により高周波に変換し、この高周波に変換され
   た電源を昇圧トランス部でレーザ発振用放電電極への印
   加電圧まで昇圧する請求項１記載のレーザ電源装置。
3. 【請求項３】 インバータ部を連続動作と間欠動作の群
   パルス動作させることにより放電電極部の電力を調整
   し、インバータ連続動作のパルス高レベル期間とインバ
   ータ間欠動作のパルス低レベル期間をつくる請求項１記
   載のレーザ電源装置。
4. 【請求項４】 パルス高レベル期間のインバータ群パル
   ス幅はレーザ発振閾値出カ相当以上、パルス低レベル期
   間のインバータ群パルス幅はレーザ発振閾値出カ相当以
   下にした請求項３記載のレーザ電源装置。
5. 【請求項５】 パルス低レベル期間のインバータパルス
   幅を、パルス高レベル期間のインバータパルス幅よりも
   狭くした請求項３記載のレーザ電源装置。
6. 【請求項６】 パルス低レベル期間は、パルス高レベル
   期間に比べて昇圧コンバータ出力を低下させた請求項３
   記載のレーザ電源装置。