JP2004241605A - レーザ発振装置とレーザ加工機 - Google Patents
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Abstract
【課題】複雑な回路構成で大型かつ高価な電圧検出部を用いることなく、レーザ光の正確な照射再現性を実現できるレーザ発振装置を提供することを目的としている。
【解決手段】３相交流電源１の交流電圧を直流電圧に変換する第１の整流部２と、電源の投入時の電流を制限する電流制限部３と、電流制限部３と並列に設けた経路開閉部４と、第１の整流部２の直流電圧をレーザ光に変換するレーザ共振部と、３相交流電圧を整流する第２の整流部１１と、第２の整流部１１より出力された直流電圧を検出する電圧検出部１２と、電圧検出部１２の出力信号を積算する積算部１３とを備え、経路開閉部４は、３相交流電源１からの交流電圧が積算部１３によって検出された時に経路開閉部４を短絡することにより、検出の応答性や検出精度が向上し、レーザ光の正確な照射再現性を実現できる。
【選択図】 図１
【解決手段】３相交流電源１の交流電圧を直流電圧に変換する第１の整流部２と、電源の投入時の電流を制限する電流制限部３と、電流制限部３と並列に設けた経路開閉部４と、第１の整流部２の直流電圧をレーザ光に変換するレーザ共振部と、３相交流電圧を整流する第２の整流部１１と、第２の整流部１１より出力された直流電圧を検出する電圧検出部１２と、電圧検出部１２の出力信号を積算する積算部１３とを備え、経路開閉部４は、３相交流電源１からの交流電圧が積算部１３によって検出された時に経路開閉部４を短絡することにより、検出の応答性や検出精度が向上し、レーザ光の正確な照射再現性を実現できる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ光を発生するレーザ発振装置およびレーザ加工機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザ光の特性を活用するために、通信、エレクトロニックス、光技術若しくは精密加工等、種々の分野において、レーザ発振装置が利用されている。
【０００３】
この種のレーザ発振装置として、従来、図８に示す構成であった。
【０００４】
以下、その構成について図８を参照しながら説明する。
【０００５】
このレーザ発振器は、３相交流電源８０は交流電圧を整流スタック８１で直流電圧に変換され、平滑コンデンサ１０５で電圧リプルを低減し、スイッチング素子８４でスイッチングしてパルス信号に変換し、高周波トランスに電力を電送する。
【０００６】
また電圧検出回路８３は、スイッチング素子８４より上流に存在する一次側の平滑コンデンサ８２の電圧を検出する手段であり、その検出された電圧によってスイッチング素子８４を制御している（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
また、図９に別の構成を示す。
【０００８】
以下、その構成について図９を参照しながら説明する。
【０００９】
このレーザ発振装置では、レーザ光１０９を照射する時に制御装置１１４の出力信号に基づきインバータ部１０６が駆動される。３相交流電源１０１は、交流電圧を第１の整流部１０２で直流電圧に変換され、抵抗器などによる電流制限部１０３，マグネットスイッチなどによる経路開閉部１０４およびコンデンサ１０５で構成される平滑回路で平滑され、インバータ部１０６に直流電圧として供給される。
【００１０】
インバータ部１０６は、スイッチングトランジスタやＩＧＢＴなどの制御素子で構成され、直流電圧を交流電圧に変換し、高電圧変換部１０７に出力される。高電圧変換部１０７において、交流電圧を昇圧後、再度直流の高電圧に変換され、この直流の高電圧がレーザ共振器１０８に供給されレーザ光１０９として照射される。
【００１１】
上述の平滑回路は、３相交流電源１０１の初期投入時にコンデンサ１０５へのラッシュ電流を抑制する電流制限部１０３と、コンデンサ１０５の充電完了後に制御装置１１４の出力信号により電流制限部１０３を短絡する経路開閉部１０４とが設けられている。
【００１２】
制御装置１１４は、コンデンサ１０５の充電が完了した際に電圧検出部１１２から出力される検出信号によって経路開閉部１０４を閉じる信号を出力する。それと同時に制御装置１１４は、レーザ共振器１０８に電力供給の準備ができたということを記憶し、インバータ部１０６に動作開始信号を出力する。
【００１３】
また、３相交流電源１０１が遮断された時は、コンデンサ１０５の直流電圧が徐々に低下するので電圧検出部１１２で直流電圧の低下を検出し、制御装置１１４より経路開閉部１０４を開放する信号とインバータ部１０６への動作停止信号が出力される。
【００１４】
【特許文献１】
特開平４−３９９８２号公報（第１頁右欄―３頁、第２図）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーザ発振器やレーザ発振装置のような、コンデンサ１０５（８２）の電圧を電圧検出部１１２（８３）で検出する方式では、３相交流電源１０１（８０）において電源電圧低下や電源欠落などの電源障害が発生した場合、コンデンサ１０５（８２）の充電電圧にその電源障害の影響が直ちに発生しないため、電圧検出部１１２（８３）の動作が遅れてレーザ共振器１０８に不安定な電力を供給することがあり、レーザ光１０９に影響を生じることがある。
【００１６】
また、電源障害が発生すると、コンデンサ１０５の充電電圧は一旦低下するが、３相電源１０１が復旧した時に経路開閉器１０４が短絡されているため、第１の整流部１０２および経路開閉器１０４に過大な充電電流が流れ、構成機器の破損に至ることがある。
【００１７】
また、電圧検出部１１２には、３相交流電源１０１を整流したコンデンサ電圧側（高電圧側）と制御装置側（低電圧側）との電気的絶縁のため、絶縁アンプやフォトカプラなどが使用されていて、電磁的結合や光学結合により信号が伝達される。
【００１８】
絶縁アンプの場合は、アナログ信号としてコンデンサの直流電圧値を正確に伝達できるが、その構造が複雑な回路構成になるため、大型でかつ高価となり、電圧検出部としてのコストが増大する。また、フォトカプラの場合は、フォトカプラの発光ダイオードに流れる電流でコンデンサの直流電圧値を伝達するため、フォトカプラの電流伝達率（ＣＴＲ）の経年変化で検出電圧が変化することがあった。
【００１９】
本発明は、上記課題を解決するもので、複雑な回路構成で大型かつ高価な電圧検出部を用いることなく、レーザ共振器に安定した電力を供給してレーザ光の正確な照射再現性を実現することができるレーザ発振装置を提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のレーザ発振装置は、交流電源と、前記交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換する第１の整流手段と、前記第１の整流手段の出力端に接続された平滑コンデンサと、前記第１の整流手段と前記平滑コンデンサとの間に設けた前記交流電源の投入時の電流を制限する電流制限手段と、前記電流制限手段に並列接続した経路開閉手段と、前記第１の整流手段から出力される直流電圧をレーザ光に変換するレーザ共振手段と、前記交流電源から出力された交流電圧を直流電圧に変換する第２の整流手段と、前記第２の整流手段より出力される直流電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段の出力信号を積算する積算手段とを備え、前記経路開閉手段は、前記積算手段が所定の積算量に達した時に出力される信号によって開閉されるものである。
【００２１】
この構成によれば、３相交流電源を整流する第１の整流手段とは別に第２の整流手段を設けたため、平滑コンデンサの影響を受けずに電圧検出ができるため、検出の応答性および検出精度が向上し、３相交流電源の電源障害が発生した場合、レーザ共振手段に不安定な電力を供給することを防止し、レーザ光の正確な照射ができる。また、経路開閉器の動作遅延による構成機器の破損の防止も図れる。
【００２２】
また、第２の整流手段の替わりに第３の整流手段や、第２の整流手段より出力される直流電圧を検出する替わりに第１の整流手段のアノードと第３の整流手段のカソードとの間より出力される直流電圧を検出する電圧検出手段とを有したり、第２の整流手段の替わりに平滑コンデンサの負極側と前記第１の整流手段のアノードとの間に電流の逆流を防止するために設けた第４の整流手段や、第１の整流手段のカソードと前記第１の整流手段のアノードとの間に直流電圧を検出する電圧検出手段を有したため、前述と同様の作用が得られると共に、部品点数を削減することもできる。
【００２３】
さらに、本発明のレーザ加工機は、加工ワークを乗せる加工テーブルと、前記加工テーブルの移動とレーザ加工トーチの少なくとも一方を移動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する数値制御手段と、前述のいずれかに記載のレーザ発振装置とを備えたため、数値制御手段によりレーザ発振手段が統括的に制御され、レーザ加工の信頼性が向上すると共に加工ワークの不良品の混入を防止することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態に付いて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ発振装置の構成図である。
【００２５】
このレーザ発振装置は、３相交流電源１の交流電圧を３相の整流ダイオードなどで構成された第１の整流部２で直流電圧に変換され、抵抗器などで構成された電流制限部３，マグネットスイッチなどで構成された経路開閉部４および平滑用のコンデンサ５で構成される平滑回路で直流電圧に平滑され、この直流電圧がインバータ部６に供給される。
【００２６】
インバータ部６はスイッチングトランジスタやＩＧＢＴなどの制御素子で構成され、直流電圧を交流電圧に変換し、この交流電圧を高電圧変換部７に出力する。
【００２７】
高電圧変換部７は高周波トランスなどで構成され、入力された交流電圧を昇圧後、再度直流の高電圧に変換し、この直流の高電圧をレーザ共振器８に供給する。このレーザ共振器８は、レーザ媒質が励起され、レーザ光９として外部に照射される。
【００２８】
また、３相交流電源１から出力された交流電圧は、３相整流ダイオードなどで構成された第２の整流部１１で直流電圧に変換され、この直流電圧は絶縁形の変換素子などで構成された電圧検出部１２に出力される。
【００２９】
積算部１３は積分回路やタイマー回路などで構成され、電圧検出部１２から入力された信号を充放電時定数の違いによるコンデンサで積算し、この積算量を設定電圧との比較回路で検出して制御装置１４へ信号を出力する。
【００３０】
上述したように、平滑回路は電流制限部３，経路開閉部４およびコンデンサ５からなり、電流制限部３は３相交流電源１の初期投入時にコンデンサ５への突入電流を抑制し、経路開閉部４はコンデンサ５に直流電圧が充電完了された後に制御装置１４から出力された信号により電流制限部３を短絡するものである。なお、制御装置１４は、積算部１３の出力信号により、電流制限部３を短絡するように経路開閉部４に信号を出力する。
【００３１】
また制御装置１４は、３相交流電源１の各相の電圧が正常に供給されていて、レーザ共振器８に電力供給の準備ができたことを記憶し、例えば数値制御装置など外部制御機器からレーザ光９の照射指令が入力されると、インバータ部６に動作開始信号を出力し、インバータ部６においてスイッチング動作が開始される。
【００３２】
また、インバータ部６のスイッチング動作中に、３相交流電源１の電源電圧の低下や電源の欠落などの電源障害が発生した場合は、電源の異常を電圧検出部１２と積算部１３で検出し、制御装置１４より信号が出力されてインバータ部６のスイッチング動作が停止されると同時に経路開閉器４も開放される。
【００３３】
次に、電圧検出部における構成を示す図４を参照しながら説明する。
【００３４】
電圧検出部１２は、抵抗３１，３２とフォトカプラ３３とから構成されている。抵抗３１とフォトカプラ３３の発光ダイオードとは、直列に接続されていて第２の整流部１１より出力される直流電圧が印加される。
【００３５】
フォトカプラ３３のフォトトランジスタは、抵抗３２によって制御回路の電源電圧にプルアップされていて、発光ダイオードが発光していない時はフォトトランジスタの出力は、Ｈ（ハイ）になる。そして、電圧検出部１２は、このフォトカプラ３３のフォトトランジスタの動作信号を検出信号としている。
【００３６】
上記のように、電圧検出部１２の入力に直流電圧が印加されると抵抗３１を経て発光ダイオードに電流が流れ、所定の値以上の電流が流れると、フォトトランジスタがオン動作をして検出信号は、Ｌ（ロー）になる。
【００３７】
次に、積算部の構成を示す回路図である図５を参照しながら説明する。
【００３８】
積算部１３は、反転増幅器４１と抵抗４２，４３とダイオード４４とコンデンサ４５と比較器４６と基準電圧電源４７により構成されている。
【００３９】
電圧検出部１２より積算部１３に入力された信号がＨ（ハイ）の時は、反転増幅器４１の出力はＬ（ロー）となり、コンデンサ４５に充電している電圧は、ダイオード４４と抵抗値の小さい抵抗４３で主に放電され、比較器４６の出力は、Ｈ（ハイ）となる。
【００４０】
電圧検出部１２より積算部１３に入力された信号がＬ（ロー）になるとコンデンサ４５の電圧は、ダイオード４４で阻止されるため、抵抗４２を経由して充電され、基準電圧電源４７の設定電圧以上になると比較器４６の出力はＨ（ハイ）からＬ（ロー）になり、積算部１３から出力信号が出力される。
【００４１】
次に、図６（ａ）〜（ｄ）で示される電圧検出部１２と積算部１３の動作タイミング図を参照しながら説明する。
【００４２】
電源投入時、３相整流の直流電圧が入力され、電圧検出部１２の入力はＬ（ロー）からＨ（ハイ）に変化し（図６（ａ）参照）、それに伴いフォトカプラの出力信号はＨ（ハイ）からＬ（ロー）に変化する（図６（ｂ）参照）。
【００４３】
積算部１３では一定の時定数を形成しているコンデンサ４５の電圧が徐々に上昇し、比較器４６の基準電圧以上になった時、積算部１３の出力は反転し、３相交流電源１が投入されたことを制御装置１４に出力する（図６（ｃ），（ｄ）参照）。
【００４４】
なお、３相交流電源１が遮断された時、各部の信号波形は、電源投入時の反対の動作をする。
【００４５】
３相交流電源１が瞬間停電した場合や、電源地絡，欠相などの電源障害が発生した場合に、電圧検出部１２の入力は、２相または１相の整流波形となり、図６（ａ）に示すように電源異常時の電圧波形はリップル電圧が大きく増大する。
【００４６】
この場合、電圧検出部１２の出力波形はＨ（ハイ）とＬ（ロー）の繰り返し状態（図６（ｂ）参照）となり、積算部１３のコンデンサ４５に印加される電圧は充放電を繰り返して徐々に低下（図６（ｃ）参照）し、基準電圧電源における基準電圧より低くなった時に、積算部１３の出力信号がＬ（ロー）よりＨ（ハイ）に変化（図６（ｄ）参照）し、３相交流電源１の異常の発生を検出して、この検出信号が積算部１３から制御装置１４に出力される。
【００４７】
このように、本実施の形態１における３相交流電源１を整流した波形を基に３相電源の各相の電圧が正常に供給されているかを判定する手段は、主回路のコンデンサ５の直流電圧値をフォトカプラ３３の発光ダイオードに流れる電流で電流変換率（ＣＴＲ）を利用し検出する従来に比べ、フォトカプラ３３には、電圧検出の検出精度が要求されず、電流変換率が変化しても３相交流電源１の電源障害などの異常検出の精度が経年変化で変化することがない。
【００４８】
以上述べたように主回路のコンデンサ５の影響を受けずに電圧検出ができるため、検出の応答性および検出精度が向上し、３相交流電源１の電源障害が発生した場合でも、レーザ共振器８に不安定な電力の供給を防止し、レーザ光９の正確な照射ができる。また、経路開閉器４の動作遅延による構成機器の破損の防止も図れる。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２におけるレーザ発振装置の構成図である。
【００４９】
実施の形態１との相違点は、電圧検出部１２の直流電圧の入力段に第３の整流部２１を設けたことであり、実施の形態１と同じ構成は同じ番号を付与し、説明を省略する。
【００５０】
３相交流電源１を整流する第１の整流部２のアノードと第３の整流部２１のカソードとの間に、直流電圧を検出する電圧検出部１２と、電圧検出部１２から出力された検出信号を入力して積算する積算部１３を設けたことにより、実施の形態１で説明したように、主回路のコンデンサ５の影響を受けずに電圧検出ができるため、検出の応答性および検出精度が向上し、３相交流電源１の電源障害が発生した場合でも、レーザ共振器８に不安定な電力の供給を防止し、レーザ光の正確な照射ができる。
【００５１】
また、経路開閉器４の動作遅延による構成機器の破損の防止も図れることに加え、整流部の部品点数の削減をすることができる。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３におけるレーザ発振装置の構成図である。
【００５２】
実施の形態１との相違点は、コンデンサ５の負極側と前記第１の整流手段２のアノードとの間に電流逆流防止用の第４の整流手段２２を設けたことであり、実施の形態１と同じ構成は同じ番号を付与し、説明を省略する。
【００５３】
コンデンサ５の負極側と前記第１の整流手段２のアノードとの間に電流逆流防止用の第４の整流手段２２を設けたことにより、主回路のコンデンサの影響を受けずに電圧検出ができるため、検出の応答性および検出精度が向上し、３相交流電源の電源障害が発生した場合でも、レーザ共振器に不安定な電力の供給を防止し、レーザ光の正確な照射ができる。
【００５４】
また、経路開閉器の動作遅延による構成機器の破損の防止も図れることに加え、更に整流部の部品点数の削減をすることができる。
【００５５】
ところで、本実施の形態のけるレーザ発振装置のインバータ部６はスイッチングトランジスタを有し、このスイッチングトランジスタが動作中に３相交流電源１の電源電圧低下や電源欠落などの電源の障害が発生した場合は、この障害が電圧検出部１２と積算部１３で検出され、制御装置１４からの警報作動やレーザ発振装置の運転を停止させるインターロック動作などが設けられていて、レーザ共振器８への電力の供給状態を監視することができ、この結果、レーザ共振器８よりの不安定な出力のレーザ光の出射を防止することができる。
【００５６】
なお、以上の構成からなるレーザ発振装置では、各構成に制御素子を設けて、各信号処理または各構成において制御するようにしたが、レーザ発振装置に、各構成に接続されるＣＰＵを設け、各処理を統括的に制御するようにしてもよい。
【００５７】
図７は、本発明の実施の形態におけるレーザ加工機の構成図を示している。
【００５８】
レーザ加工機は、加工ワーク５１を乗せる加工テーブル５２と、加工テーブル５２の移動またはレーザ加工トーチ５７の少なくとも一方を移動する駆動部５３と、駆動部を制御する数値制御装置５４とレーザ発振装置５５により構成されている。
【００５９】
レーザ発振装置５５より出力されたレーザ光５６は、外部系を構成するミラーなどにより折り返され、レーザ加工トーチ５７に導かれる。レーザ光５６は加工ワークに照射され、加工が開始される。それと同時に数値制御装置５４により駆動部５３に指令が出力され加工テーブルまたはレーザ加工トーチ５７の少なくとも一方を動作させて加工図形を切断する。
【００６０】
上記レーザ加工機によれば、３相交流電源の電源障害が発生した場合でも、レーザ共振器に不安定な電力の供給を防止し、レーザ光の正確な照射が再現でき、数値制御装置によりレーザ発振器が統括的に制御されことにより、レーザ加工の信頼性が向上すると共に加工ワークへの不良品の混入を防止することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のレーザ発振装置によれば、交流電源と、前記交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換する第１の整流手段と、前記第１の整流手段の出力端に接続された平滑コンデンサと、前記第１の整流手段と前記平滑コンデンサとの間に設けた前記交流電源の投入時の電流を制限する電流制限手段と、前記電流制限手段に並列接続した経路開閉手段と、前記第１の整流手段から出力される直流電圧をレーザ光に変換するレーザ共振手段と、前記交流電源から出力された交流電圧を直流電圧に変換する第２の整流手段と、前記第２の整流手段より出力される直流電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段の出力信号を積算する積算手段とを備え、前記経路開閉手段は、前記積算手段が所定の積算量に達した時に出力される信号によって開閉されるものである。
【００６２】
この構成によれば、３相交流電源を整流する第１の整流手段とは別に第２の整流手段を設けたため、平滑コンデンサの影響を受けずに電圧検出ができるため、検出の応答性および検出精度が向上し、３相交流電源の電源障害が発生した場合、レーザ共振手段に不安定な電力を供給することを防止し、レーザ光の正確な照射ができる。また、経路開閉器の動作遅延による構成機器の破損の防止も図れる。
【００６３】
また、第２の整流手段の替わりに第３の整流手段や、第２の整流手段より出力される直流電圧を検出する替わりに第１の整流手段のアノードと第３の整流手段のカソードとの間より出力される直流電圧を検出する電圧検出手段とを有したり、第２の整流手段の替わりに平滑コンデンサの負極側と前記第１の整流手段のアノードとの間に電流の逆流を防止するために設けた第４の整流手段や、第１の整流手段のカソードと前記第１の整流手段のアノードとの間に直流電圧を検出する電圧検出手段を有したため、前述と同様の作用が得られると共に、部品点数を削減することもできる。
【００６４】
さらに、本発明のレーザ加工機によれば、加工ワークを乗せる加工テーブルと、前記加工テーブルの移動とレーザ加工トーチの少なくとも一方を移動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する数値制御手段と、前述のいずれかに記載のレーザ発振装置とを備えたため、数値制御手段によりレーザ発振手段が統括的に制御され、レーザ加工の信頼性が向上すると共に加工ワークの不良品の混入を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザ発振装置の構成図
【図２】同実施の形態２におけるレーザ発振装置の構成図
【図３】同実施の形態３におけるレーザ発振装置の構成図
【図４】電圧検出部における構成を示す回路図
【図５】積算部における構成を示す回路図
【図６】（ａ）電圧検出部における入力電圧タイミング図
（ｂ）電圧検出部における出力信号タイミング図
（ｃ）積算部におけるコンデンサ電圧タイミング図
（ｄ）積算部における出力タイミング図
【図７】本発明の実施の形態におけるレーザ加工機の構成図
【図８】従来のレーザ発振装置における構成図
【図９】従来のレーザ発振装置における別の構成図
【符号の説明】
１ ３相交流電源
２ 第１の整流部
３ 電流制限部
４ 経路開閉部
５ コンデンサ
６ インバータ部
７ 高電圧変換部
８ レーザ共振器
９ レーザ光
１１ 第２の整流部
１２ 電圧検出部
１３ 積算部
１４ 制御装置
２１ 第３の整流部
２２ 第４の整流部
３１、３１ 抵抗
３３ フォトカプラ
４１ 反転増幅器
４２、４３ 抵抗
４４ ダイオード
４５ コンデンサ
４６ 比較器
４７ 基準電圧電源
５１ 加工ワーク
５２ 加工テーブル
５３ 駆動部
５４ 数値制御装置
５５ レーザ発振装置
５６ レーザ光路
５８ 加工トーチ
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ光を発生するレーザ発振装置およびレーザ加工機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザ光の特性を活用するために、通信、エレクトロニックス、光技術若しくは精密加工等、種々の分野において、レーザ発振装置が利用されている。
【０００３】
この種のレーザ発振装置として、従来、図８に示す構成であった。
【０００４】
以下、その構成について図８を参照しながら説明する。
【０００５】
このレーザ発振器は、３相交流電源８０は交流電圧を整流スタック８１で直流電圧に変換され、平滑コンデンサ１０５で電圧リプルを低減し、スイッチング素子８４でスイッチングしてパルス信号に変換し、高周波トランスに電力を電送する。
【０００６】
また電圧検出回路８３は、スイッチング素子８４より上流に存在する一次側の平滑コンデンサ８２の電圧を検出する手段であり、その検出された電圧によってスイッチング素子８４を制御している（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
また、図９に別の構成を示す。
【０００８】
以下、その構成について図９を参照しながら説明する。
【０００９】
このレーザ発振装置では、レーザ光１０９を照射する時に制御装置１１４の出力信号に基づきインバータ部１０６が駆動される。３相交流電源１０１は、交流電圧を第１の整流部１０２で直流電圧に変換され、抵抗器などによる電流制限部１０３，マグネットスイッチなどによる経路開閉部１０４およびコンデンサ１０５で構成される平滑回路で平滑され、インバータ部１０６に直流電圧として供給される。
【００１０】
インバータ部１０６は、スイッチングトランジスタやＩＧＢＴなどの制御素子で構成され、直流電圧を交流電圧に変換し、高電圧変換部１０７に出力される。高電圧変換部１０７において、交流電圧を昇圧後、再度直流の高電圧に変換され、この直流の高電圧がレーザ共振器１０８に供給されレーザ光１０９として照射される。
【００１１】
上述の平滑回路は、３相交流電源１０１の初期投入時にコンデンサ１０５へのラッシュ電流を抑制する電流制限部１０３と、コンデンサ１０５の充電完了後に制御装置１１４の出力信号により電流制限部１０３を短絡する経路開閉部１０４とが設けられている。
【００１２】
制御装置１１４は、コンデンサ１０５の充電が完了した際に電圧検出部１１２から出力される検出信号によって経路開閉部１０４を閉じる信号を出力する。それと同時に制御装置１１４は、レーザ共振器１０８に電力供給の準備ができたということを記憶し、インバータ部１０６に動作開始信号を出力する。
【００１３】
また、３相交流電源１０１が遮断された時は、コンデンサ１０５の直流電圧が徐々に低下するので電圧検出部１１２で直流電圧の低下を検出し、制御装置１１４より経路開閉部１０４を開放する信号とインバータ部１０６への動作停止信号が出力される。
【００１４】
【特許文献１】
特開平４−３９９８２号公報（第１頁右欄―３頁、第２図）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーザ発振器やレーザ発振装置のような、コンデンサ１０５（８２）の電圧を電圧検出部１１２（８３）で検出する方式では、３相交流電源１０１（８０）において電源電圧低下や電源欠落などの電源障害が発生した場合、コンデンサ１０５（８２）の充電電圧にその電源障害の影響が直ちに発生しないため、電圧検出部１１２（８３）の動作が遅れてレーザ共振器１０８に不安定な電力を供給することがあり、レーザ光１０９に影響を生じることがある。
【００１６】
また、電源障害が発生すると、コンデンサ１０５の充電電圧は一旦低下するが、３相電源１０１が復旧した時に経路開閉器１０４が短絡されているため、第１の整流部１０２および経路開閉器１０４に過大な充電電流が流れ、構成機器の破損に至ることがある。
【００１７】
また、電圧検出部１１２には、３相交流電源１０１を整流したコンデンサ電圧側（高電圧側）と制御装置側（低電圧側）との電気的絶縁のため、絶縁アンプやフォトカプラなどが使用されていて、電磁的結合や光学結合により信号が伝達される。
【００１８】
絶縁アンプの場合は、アナログ信号としてコンデンサの直流電圧値を正確に伝達できるが、その構造が複雑な回路構成になるため、大型でかつ高価となり、電圧検出部としてのコストが増大する。また、フォトカプラの場合は、フォトカプラの発光ダイオードに流れる電流でコンデンサの直流電圧値を伝達するため、フォトカプラの電流伝達率（ＣＴＲ）の経年変化で検出電圧が変化することがあった。
【００１９】
本発明は、上記課題を解決するもので、複雑な回路構成で大型かつ高価な電圧検出部を用いることなく、レーザ共振器に安定した電力を供給してレーザ光の正確な照射再現性を実現することができるレーザ発振装置を提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のレーザ発振装置は、交流電源と、前記交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換する第１の整流手段と、前記第１の整流手段の出力端に接続された平滑コンデンサと、前記第１の整流手段と前記平滑コンデンサとの間に設けた前記交流電源の投入時の電流を制限する電流制限手段と、前記電流制限手段に並列接続した経路開閉手段と、前記第１の整流手段から出力される直流電圧をレーザ光に変換するレーザ共振手段と、前記交流電源から出力された交流電圧を直流電圧に変換する第２の整流手段と、前記第２の整流手段より出力される直流電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段の出力信号を積算する積算手段とを備え、前記経路開閉手段は、前記積算手段が所定の積算量に達した時に出力される信号によって開閉されるものである。
【００２１】
この構成によれば、３相交流電源を整流する第１の整流手段とは別に第２の整流手段を設けたため、平滑コンデンサの影響を受けずに電圧検出ができるため、検出の応答性および検出精度が向上し、３相交流電源の電源障害が発生した場合、レーザ共振手段に不安定な電力を供給することを防止し、レーザ光の正確な照射ができる。また、経路開閉器の動作遅延による構成機器の破損の防止も図れる。
【００２２】
また、第２の整流手段の替わりに第３の整流手段や、第２の整流手段より出力される直流電圧を検出する替わりに第１の整流手段のアノードと第３の整流手段のカソードとの間より出力される直流電圧を検出する電圧検出手段とを有したり、第２の整流手段の替わりに平滑コンデンサの負極側と前記第１の整流手段のアノードとの間に電流の逆流を防止するために設けた第４の整流手段や、第１の整流手段のカソードと前記第１の整流手段のアノードとの間に直流電圧を検出する電圧検出手段を有したため、前述と同様の作用が得られると共に、部品点数を削減することもできる。
【００２３】
さらに、本発明のレーザ加工機は、加工ワークを乗せる加工テーブルと、前記加工テーブルの移動とレーザ加工トーチの少なくとも一方を移動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する数値制御手段と、前述のいずれかに記載のレーザ発振装置とを備えたため、数値制御手段によりレーザ発振手段が統括的に制御され、レーザ加工の信頼性が向上すると共に加工ワークの不良品の混入を防止することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態に付いて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ発振装置の構成図である。
【００２５】
このレーザ発振装置は、３相交流電源１の交流電圧を３相の整流ダイオードなどで構成された第１の整流部２で直流電圧に変換され、抵抗器などで構成された電流制限部３，マグネットスイッチなどで構成された経路開閉部４および平滑用のコンデンサ５で構成される平滑回路で直流電圧に平滑され、この直流電圧がインバータ部６に供給される。
【００２６】
インバータ部６はスイッチングトランジスタやＩＧＢＴなどの制御素子で構成され、直流電圧を交流電圧に変換し、この交流電圧を高電圧変換部７に出力する。
【００２７】
高電圧変換部７は高周波トランスなどで構成され、入力された交流電圧を昇圧後、再度直流の高電圧に変換し、この直流の高電圧をレーザ共振器８に供給する。このレーザ共振器８は、レーザ媒質が励起され、レーザ光９として外部に照射される。
【００２８】
また、３相交流電源１から出力された交流電圧は、３相整流ダイオードなどで構成された第２の整流部１１で直流電圧に変換され、この直流電圧は絶縁形の変換素子などで構成された電圧検出部１２に出力される。
【００２９】
積算部１３は積分回路やタイマー回路などで構成され、電圧検出部１２から入力された信号を充放電時定数の違いによるコンデンサで積算し、この積算量を設定電圧との比較回路で検出して制御装置１４へ信号を出力する。
【００３０】
上述したように、平滑回路は電流制限部３，経路開閉部４およびコンデンサ５からなり、電流制限部３は３相交流電源１の初期投入時にコンデンサ５への突入電流を抑制し、経路開閉部４はコンデンサ５に直流電圧が充電完了された後に制御装置１４から出力された信号により電流制限部３を短絡するものである。なお、制御装置１４は、積算部１３の出力信号により、電流制限部３を短絡するように経路開閉部４に信号を出力する。
【００３１】
また制御装置１４は、３相交流電源１の各相の電圧が正常に供給されていて、レーザ共振器８に電力供給の準備ができたことを記憶し、例えば数値制御装置など外部制御機器からレーザ光９の照射指令が入力されると、インバータ部６に動作開始信号を出力し、インバータ部６においてスイッチング動作が開始される。
【００３２】
また、インバータ部６のスイッチング動作中に、３相交流電源１の電源電圧の低下や電源の欠落などの電源障害が発生した場合は、電源の異常を電圧検出部１２と積算部１３で検出し、制御装置１４より信号が出力されてインバータ部６のスイッチング動作が停止されると同時に経路開閉器４も開放される。
【００３３】
次に、電圧検出部における構成を示す図４を参照しながら説明する。
【００３４】
電圧検出部１２は、抵抗３１，３２とフォトカプラ３３とから構成されている。抵抗３１とフォトカプラ３３の発光ダイオードとは、直列に接続されていて第２の整流部１１より出力される直流電圧が印加される。
【００３５】
フォトカプラ３３のフォトトランジスタは、抵抗３２によって制御回路の電源電圧にプルアップされていて、発光ダイオードが発光していない時はフォトトランジスタの出力は、Ｈ（ハイ）になる。そして、電圧検出部１２は、このフォトカプラ３３のフォトトランジスタの動作信号を検出信号としている。
【００３６】
上記のように、電圧検出部１２の入力に直流電圧が印加されると抵抗３１を経て発光ダイオードに電流が流れ、所定の値以上の電流が流れると、フォトトランジスタがオン動作をして検出信号は、Ｌ（ロー）になる。
【００３７】
次に、積算部の構成を示す回路図である図５を参照しながら説明する。
【００３８】
積算部１３は、反転増幅器４１と抵抗４２，４３とダイオード４４とコンデンサ４５と比較器４６と基準電圧電源４７により構成されている。
【００３９】
電圧検出部１２より積算部１３に入力された信号がＨ（ハイ）の時は、反転増幅器４１の出力はＬ（ロー）となり、コンデンサ４５に充電している電圧は、ダイオード４４と抵抗値の小さい抵抗４３で主に放電され、比較器４６の出力は、Ｈ（ハイ）となる。
【００４０】
電圧検出部１２より積算部１３に入力された信号がＬ（ロー）になるとコンデンサ４５の電圧は、ダイオード４４で阻止されるため、抵抗４２を経由して充電され、基準電圧電源４７の設定電圧以上になると比較器４６の出力はＨ（ハイ）からＬ（ロー）になり、積算部１３から出力信号が出力される。
【００４１】
次に、図６（ａ）〜（ｄ）で示される電圧検出部１２と積算部１３の動作タイミング図を参照しながら説明する。
【００４２】
電源投入時、３相整流の直流電圧が入力され、電圧検出部１２の入力はＬ（ロー）からＨ（ハイ）に変化し（図６（ａ）参照）、それに伴いフォトカプラの出力信号はＨ（ハイ）からＬ（ロー）に変化する（図６（ｂ）参照）。
【００４３】
積算部１３では一定の時定数を形成しているコンデンサ４５の電圧が徐々に上昇し、比較器４６の基準電圧以上になった時、積算部１３の出力は反転し、３相交流電源１が投入されたことを制御装置１４に出力する（図６（ｃ），（ｄ）参照）。
【００４４】
なお、３相交流電源１が遮断された時、各部の信号波形は、電源投入時の反対の動作をする。
【００４５】
３相交流電源１が瞬間停電した場合や、電源地絡，欠相などの電源障害が発生した場合に、電圧検出部１２の入力は、２相または１相の整流波形となり、図６（ａ）に示すように電源異常時の電圧波形はリップル電圧が大きく増大する。
【００４６】
この場合、電圧検出部１２の出力波形はＨ（ハイ）とＬ（ロー）の繰り返し状態（図６（ｂ）参照）となり、積算部１３のコンデンサ４５に印加される電圧は充放電を繰り返して徐々に低下（図６（ｃ）参照）し、基準電圧電源における基準電圧より低くなった時に、積算部１３の出力信号がＬ（ロー）よりＨ（ハイ）に変化（図６（ｄ）参照）し、３相交流電源１の異常の発生を検出して、この検出信号が積算部１３から制御装置１４に出力される。
【００４７】
このように、本実施の形態１における３相交流電源１を整流した波形を基に３相電源の各相の電圧が正常に供給されているかを判定する手段は、主回路のコンデンサ５の直流電圧値をフォトカプラ３３の発光ダイオードに流れる電流で電流変換率（ＣＴＲ）を利用し検出する従来に比べ、フォトカプラ３３には、電圧検出の検出精度が要求されず、電流変換率が変化しても３相交流電源１の電源障害などの異常検出の精度が経年変化で変化することがない。
【００４８】
以上述べたように主回路のコンデンサ５の影響を受けずに電圧検出ができるため、検出の応答性および検出精度が向上し、３相交流電源１の電源障害が発生した場合でも、レーザ共振器８に不安定な電力の供給を防止し、レーザ光９の正確な照射ができる。また、経路開閉器４の動作遅延による構成機器の破損の防止も図れる。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２におけるレーザ発振装置の構成図である。
【００４９】
実施の形態１との相違点は、電圧検出部１２の直流電圧の入力段に第３の整流部２１を設けたことであり、実施の形態１と同じ構成は同じ番号を付与し、説明を省略する。
【００５０】
３相交流電源１を整流する第１の整流部２のアノードと第３の整流部２１のカソードとの間に、直流電圧を検出する電圧検出部１２と、電圧検出部１２から出力された検出信号を入力して積算する積算部１３を設けたことにより、実施の形態１で説明したように、主回路のコンデンサ５の影響を受けずに電圧検出ができるため、検出の応答性および検出精度が向上し、３相交流電源１の電源障害が発生した場合でも、レーザ共振器８に不安定な電力の供給を防止し、レーザ光の正確な照射ができる。
【００５１】
また、経路開閉器４の動作遅延による構成機器の破損の防止も図れることに加え、整流部の部品点数の削減をすることができる。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３におけるレーザ発振装置の構成図である。
【００５２】
実施の形態１との相違点は、コンデンサ５の負極側と前記第１の整流手段２のアノードとの間に電流逆流防止用の第４の整流手段２２を設けたことであり、実施の形態１と同じ構成は同じ番号を付与し、説明を省略する。
【００５３】
コンデンサ５の負極側と前記第１の整流手段２のアノードとの間に電流逆流防止用の第４の整流手段２２を設けたことにより、主回路のコンデンサの影響を受けずに電圧検出ができるため、検出の応答性および検出精度が向上し、３相交流電源の電源障害が発生した場合でも、レーザ共振器に不安定な電力の供給を防止し、レーザ光の正確な照射ができる。
【００５４】
また、経路開閉器の動作遅延による構成機器の破損の防止も図れることに加え、更に整流部の部品点数の削減をすることができる。
【００５５】
ところで、本実施の形態のけるレーザ発振装置のインバータ部６はスイッチングトランジスタを有し、このスイッチングトランジスタが動作中に３相交流電源１の電源電圧低下や電源欠落などの電源の障害が発生した場合は、この障害が電圧検出部１２と積算部１３で検出され、制御装置１４からの警報作動やレーザ発振装置の運転を停止させるインターロック動作などが設けられていて、レーザ共振器８への電力の供給状態を監視することができ、この結果、レーザ共振器８よりの不安定な出力のレーザ光の出射を防止することができる。
【００５６】
なお、以上の構成からなるレーザ発振装置では、各構成に制御素子を設けて、各信号処理または各構成において制御するようにしたが、レーザ発振装置に、各構成に接続されるＣＰＵを設け、各処理を統括的に制御するようにしてもよい。
【００５７】
図７は、本発明の実施の形態におけるレーザ加工機の構成図を示している。
【００５８】
レーザ加工機は、加工ワーク５１を乗せる加工テーブル５２と、加工テーブル５２の移動またはレーザ加工トーチ５７の少なくとも一方を移動する駆動部５３と、駆動部を制御する数値制御装置５４とレーザ発振装置５５により構成されている。
【００５９】
レーザ発振装置５５より出力されたレーザ光５６は、外部系を構成するミラーなどにより折り返され、レーザ加工トーチ５７に導かれる。レーザ光５６は加工ワークに照射され、加工が開始される。それと同時に数値制御装置５４により駆動部５３に指令が出力され加工テーブルまたはレーザ加工トーチ５７の少なくとも一方を動作させて加工図形を切断する。
【００６０】
上記レーザ加工機によれば、３相交流電源の電源障害が発生した場合でも、レーザ共振器に不安定な電力の供給を防止し、レーザ光の正確な照射が再現でき、数値制御装置によりレーザ発振器が統括的に制御されことにより、レーザ加工の信頼性が向上すると共に加工ワークへの不良品の混入を防止することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のレーザ発振装置によれば、交流電源と、前記交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換する第１の整流手段と、前記第１の整流手段の出力端に接続された平滑コンデンサと、前記第１の整流手段と前記平滑コンデンサとの間に設けた前記交流電源の投入時の電流を制限する電流制限手段と、前記電流制限手段に並列接続した経路開閉手段と、前記第１の整流手段から出力される直流電圧をレーザ光に変換するレーザ共振手段と、前記交流電源から出力された交流電圧を直流電圧に変換する第２の整流手段と、前記第２の整流手段より出力される直流電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段の出力信号を積算する積算手段とを備え、前記経路開閉手段は、前記積算手段が所定の積算量に達した時に出力される信号によって開閉されるものである。
【００６２】
この構成によれば、３相交流電源を整流する第１の整流手段とは別に第２の整流手段を設けたため、平滑コンデンサの影響を受けずに電圧検出ができるため、検出の応答性および検出精度が向上し、３相交流電源の電源障害が発生した場合、レーザ共振手段に不安定な電力を供給することを防止し、レーザ光の正確な照射ができる。また、経路開閉器の動作遅延による構成機器の破損の防止も図れる。
【００６３】
また、第２の整流手段の替わりに第３の整流手段や、第２の整流手段より出力される直流電圧を検出する替わりに第１の整流手段のアノードと第３の整流手段のカソードとの間より出力される直流電圧を検出する電圧検出手段とを有したり、第２の整流手段の替わりに平滑コンデンサの負極側と前記第１の整流手段のアノードとの間に電流の逆流を防止するために設けた第４の整流手段や、第１の整流手段のカソードと前記第１の整流手段のアノードとの間に直流電圧を検出する電圧検出手段を有したため、前述と同様の作用が得られると共に、部品点数を削減することもできる。
【００６４】
さらに、本発明のレーザ加工機によれば、加工ワークを乗せる加工テーブルと、前記加工テーブルの移動とレーザ加工トーチの少なくとも一方を移動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する数値制御手段と、前述のいずれかに記載のレーザ発振装置とを備えたため、数値制御手段によりレーザ発振手段が統括的に制御され、レーザ加工の信頼性が向上すると共に加工ワークの不良品の混入を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザ発振装置の構成図
【図２】同実施の形態２におけるレーザ発振装置の構成図
【図３】同実施の形態３におけるレーザ発振装置の構成図
【図４】電圧検出部における構成を示す回路図
【図５】積算部における構成を示す回路図
【図６】（ａ）電圧検出部における入力電圧タイミング図
（ｂ）電圧検出部における出力信号タイミング図
（ｃ）積算部におけるコンデンサ電圧タイミング図
（ｄ）積算部における出力タイミング図
【図７】本発明の実施の形態におけるレーザ加工機の構成図
【図８】従来のレーザ発振装置における構成図
【図９】従来のレーザ発振装置における別の構成図
【符号の説明】
１ ３相交流電源
２ 第１の整流部
３ 電流制限部
４ 経路開閉部
５ コンデンサ
６ インバータ部
７ 高電圧変換部
８ レーザ共振器
９ レーザ光
１１ 第２の整流部
１２ 電圧検出部
１３ 積算部
１４ 制御装置
２１ 第３の整流部
２２ 第４の整流部
３１、３１ 抵抗
３３ フォトカプラ
４１ 反転増幅器
４２、４３ 抵抗
４４ ダイオード
４５ コンデンサ
４６ 比較器
４７ 基準電圧電源
５１ 加工ワーク
５２ 加工テーブル
５３ 駆動部
５４ 数値制御装置
５５ レーザ発振装置
５６ レーザ光路
５８ 加工トーチ
Claims (7)
- 交流電源と、前記交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換する第１の整流手段と、前記第１の整流手段の出力端に接続された平滑コンデンサと、前記第１の整流手段と前記平滑コンデンサとの間に設けた前記交流電源の投入時の電流を制限する電流制限手段と、前記電流制限手段に並列接続した経路開閉手段と、前記第１の整流手段から出力される直流電圧をレーザ光に変換するレーザ共振手段と、前記交流電源から出力された交流電圧を直流電圧に変換する第２の整流手段と、前記第２の整流手段より出力される直流電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段の出力信号を積算する積算手段とを備え、前記経路開閉手段は、前記積算手段が所定の積算量に達した時に出力される信号によって開閉されるレーザ発振装置。
- 交流電源と、前記交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換する第１の整流手段と、前記第１の整流手段の出力端に接続された平滑コンデンサと、前記第１の整流手段と前記平滑コンデンサとの間に設けた前記交流電源の投入時の電流を制限する電流制限手段と、前記電流制限手段に並列接続した経路開閉手段と、前記第１の整流手段から出力される直流電圧をレーザ光に変換するレーザ共振手段と、前記交流電源から出力された交流電圧を直流電圧に変換する第３の整流手段と、前記第１の整流手段のアノードと前記第３の整流手段のカソードとの間より出力される直流電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段の出力信号を積算する積算手段とを備え、前記経路開閉手段は、前記積算手段が所定の積算量に達した時に出力される信号によって開閉されるレーザ発振装置。
- 交流電源と、前記交流電源から出力された交流電圧を直流電圧に変換する第１の整流手段と、前記第１の整流手段の出力端に接続された平滑コンデンサと、前記第１の整流手段と前記平滑コンデンサとの間に設けた前記交流電源の投入時にコンデンサへの電流を制限する電流制限手段と、前記電流制限手段に並列接続した経路開閉手段と、前記第１の整流部から出力される直流電圧をレーザ光に変換するレーザ共振手段と、前記平滑コンデンサの負極側と前記第１の整流手段のアノードとの間に電流の逆流を防止するために設けた第４の整流手段と、前記第１の整流手段のカソードと前記第１の整流手段のアノードとの間に直流電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段の出力信号を積算する積算手段とを備え、前記経路開閉手段は、前記積算手段が所定の積算量に達した時に出力される信号によって開閉されるレーザ発振装置。
- レーザ共振手段は、入力した直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部と、前記交流電圧を昇圧後、直流高電圧に変換する高電圧変換部と、前記直流高電圧によってレーザ媒質が励起されレーザ光を発生するレーザ共振部とを有した請求項１または２または３記載のレーザ発振装置。
- レーザ共振手段の作動を制御する制御手段を有し、前記制御手段は積算手段から信号が出力された時に、前記レーザ共振手段をオンする請求項１から４のいずれかに記載のレーザ発振装置。
- レーザ共振手段の作動を制御する制御手段を有し、前記制御手段は積算手段から信号が出力されない時に、警報作動とレーザ発振装置の運転を停止させるインターロック動作のうち、少なくとも一方が行なわれる請求項５記載のレーザ発振装置。
- 加工ワークを乗せる加工テーブルと、前記加工テーブルの移動とレーザ加工トーチの少なくとも一方を移動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する数値制御手段と、レーザ光を発生する請求項１から６のいずれかに記載のレーザ発振装置とを備えたレーザ加工機。
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2003
- 2003-02-06 JP JP2003029221A patent/JP3858831B2/ja not_active Expired - Lifetime
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